扫描探针显微镜的原理|结构|特点

　　扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜，静电力显微镜，磁力显微镜，扫描离子电导显微镜，扫描电化学显微镜等)的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器。

扫描探针显微镜原理及结构

　　扫描探针显微镜的基本工作原理是利用探针与样品表面原子分子的相互作用，即当探针与样品表面接近至纳米尺度时形成的各种相互作用的物理场，通过检测相应的物理量而获得样品表面形貌。扫描探针显微镜丰要由探针、扫描器、位移传感器、控制器、检测系统和图像系统5部分组成。

　　控制器通过扫描器在竖直舛由方向移动样品以使探针和样品之间的距离(或相互作用的物理量)稳定在某一固定值;同时在x-y水平平面移动样品，使探针按照扫描路径扫描样品表面。扫描探针显微镜在稳定探针与样品间距的情况下，检测系统检测探针与样品之间相互作用的相关物理量信号;在稳定相互作用物理量的情况下，则通过竖直方向礴由位移传感器检测探针与样品之问距离。图像系统则根据检测信号(或探针与样品间距)对样品表面进行成像等图像处理。

　　根据所利用的探针与样品之间相互作用物理场的不同，扫描探针显微镜被分为不同系列的显微镜。其中扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是比较常用的两类扫描探针显微镜。扫描隧道显微镜是通过检测探针与被测样品之间的隧道电流的大小来检测样品表面结构。原子力显微镜是通过光电位移传感器检测针尖一样品间的相互作用力(既有可能足吸引力，也有可能是排斥力)所引起的微悬臂形变来检测样品表面。

扫描探针显微镜的特点

　　扫描探针显微镜是除了场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜之后的第三种以原子尺度观察物质结构的显微镜。以扫描隧道显微镜(STM)为例，其横向分辨率为0.1~0.2nm，纵向深度分辨率则为0.01nm，这样的分辨率可以清楚地观测到分布在样品表面的单个原子或分子。同时，扫描探针显微镜还可以在空气，其他气体或液体环境下进行观察研究。

　　扫描探针显微镜拥有原子分辨、原子搬运、纳米微加工等特点，但是由于细部各种扫描显微镜的工作原理不同，它们得到的结果所反映的样品表面信息是很不同的。扫描隧道显微镜测量的是样品表面的电子台分布信息，具有原子级别的分辨率但仍得不到样品的真结构。而原子显微镜探测的是原子之间的相互作用信息，因此可以得到样品表面原子分布的排列信息即样品的真实结构。但另一方面，原子力显微镜测不到可以和理论比较的电子态信息，因此二者各有短长。

扫描探针显微镜控制技术

　　扫描探针显微镜控制需要克服压电驱动器的迟滞、蠕变和振动特性，实现对水平平面的扫描轨迹跟踪和竖直方向上探针与样品表面距离定位的精确控制。

　　1、水平方向控制

　　水平方向控制通过控制压电驱动器使探针在样品表面完成重复光栅式扫描，即x轴上重复快速地跟踪三角波轨迹，y轴上则相对缓慢地跟踪斜坡轨迹。水平方向控制使扫描探针显微镜探针在样品表面能够高速精确地跟踪扫描轨迹，从而实现扫描探针显微镜的高速扫描精度和扫描速度。

　　2、竖直方向控制

　　扫描探针显微镜竖直方向控制通过压电驱动器，控制探针与样品表面之间距离以使探针与样品表面相互作用的物理Z保持稳定(或者将探针与样品表面之间距离稳定在某一固定值)。竖直办向定位精确度直接影响到扫描探针显微镜成像和纳米操作的精度，定位速度影响到扫描探针显微镜的成像速度。

　　样品表面轮廓是未知的、探针与样品间距对其相互作用非常敏感和相互作用非常复杂等问题使在竖直方向上实现快速精确定位十分困难。扫描探针显微镜竖直方向控制的作用是在克服上述问题的基础上实现探针在竖直方向的精确快速定位。

　　3、MIMO控制

　　扫描探针显微镜控制器需要同时控制水平方向的扫描以及垂直方向的定位，水平平面x轴的高速移动会引起可轴方向的振动，水平方向高速扫描也会引起探针与样品之间竖直方向上的振动;这样的水平方向和竖直方向的耦合问题在高速扫描时特别明碌。耦合所引起的定位误差严重地影响扫描探针显微镜的成像质量，甚至会损坏探针和扫描样品。