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  启程幸福 2018-04-08 13:41:41

  扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）都属于扫描探针显微镜（scanning probe microscopy, SPM)大家庭，而且是其中诞生的较早（STM 诞生于1982年，是diyi种扫描探针显微镜，AFM诞生于1986/87年，二者都是Binning et al.shouchuang）且很有代表性的两种。 扫描（scanning）：指显微镜用于成像的探针在样品表面移动。一般有以下两种模式： constant interaction mode: 保持针尖和样品表面相互作用（隧道电流之于STM，原子间作用力之于AFM）的值恒定，这个值一般与针尖和表面间距离相关。当针尖在xy轴方向移动时，由于样品表面起伏，为了保持电流或原子间作用力的值不变，探针（或样品表面）会在z轴方向作出调整，其运动轨迹可以形成反应表面拓扑性质的图像。 constant height mode：保持针尖和样品表面距离不变（z值不变），随着针尖在xy轴方向运动，针尖和样品表面的相互作用的值会发生变化，其数值经过转化可以形成图像反应表面结构。 探针（probe）：一般常用的探针有两种 cantilever based probe：用于AFM。由于原子间作用力无法直接测量，AFM使用的探针是一个附着在有弹性的悬臂上的小针尖，悬臂另一面可以反射激光。随着针尖移动，针尖和样品表面的作用力使得悬臂发生细微的弯曲变化，导致激光反射路径的变化，从而获得样品表面形貌。 conducting probe：用于STM。因为反馈信号是隧道电流，要求针尖和样品都必须导电，所以STM常用的探针都是金属（Au，W，Pt，Pt-Ir合金之类的）。而电流可以被直接和精确的检测，所以一般一根金属丝就能满足需求了。 显微成像（microscopy）：既然叫显微镜，Z重要的当然是成像了，图像2D 3D都可以有，还挺炫酷的。当然除了成像，SPM也可以用来检测各种谱。比如用AFM来检测力曲线，STM测量隧道电流随距离的变化之类的。 各种SPM技术的Z主要区别在于feedback signal（反馈信号？）的不同。 STM的feedback signal是tunneling current(隧道电流）。这是一种基于量子隧道效应的现象—探针针尖的波函数和基底原子之间的波函数在距离极近时相互叠加，可以让电子突破能垒，发生电子转移，从而在针尖和基底之间形成隧道电流。电流大小与针尖和基底间的距离相关（指数关系）。通过保持针尖高度不变监测扫过表面时的电流大小的变化（constant height mode）或者保持电流值不变检测针尖扫过表面时的轨迹（constant current mode），即可成像。由于测量的是电流，所以STM的样品，必须是导电的。 AFM的feedback signal是针尖和和样品表面原子之间的相互作用力（所以才叫“原子力”显微镜呀）。相互作用力有很多种，静电作用，范德瓦尔斯力之类的n多种，所以AFM可以观测不导电的样品。然而这个相互作用力无法像电信号一样直接检测，所以AFM使用激光照在针尖上，当针尖因为原子间作用力（引力和斥力都有）而震动时，激光的反射就会相应的跟着变化。根据针尖和样品表面是否接触，AFM可以分为contact mode和tapping mode两种，目前还有新的mode在被开发出来（在下的组里就在使用其中一种新mode，暂未命名）。因为AFM的样品不用非得有导电性，所以AFM可以用来检测生物样品，DNA RNA蛋白质，甚至是细胞（其实STM也可以检测生物分子啦）。不过目前由于技术限制，检测细胞的分辨率还未能达到分子尺度。

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