原子力显微镜和扫描隧道显微镜的区别

　　原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)Zda的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。

原子力显微镜

　　1、原子力显微镜工作原理

　　原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术，它们的主要不同点是扫描隧道显微镜检测的是针尖和样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是针尖和样品间的力。

　　原子力显微镜不但可测样品的表面形貌，达到接近原子分辨率，还可测量表面原子间的力，测量表面的弹性，塑性，硬度，粘着力，摩擦力等性质。

　　2、原子力显微镜工作模式

　　在原子力显微镜成像模式中，根据针尖与样品间作用力的不同性质可分为：接触模式，非接触模式，轻敲模式。

　　①接触成像模式：针尖在扫描过程中始终同样品表面接触。针尖和样品间的相互作用力为接触原子间电子的库仑排斥力(其力大小为10^-8~10^-6N)。优点为图像稳定，分辨率高，缺点为由于针尖和样品间粘附力的作用等因素影响，可影响成像质量。

　　②非接触成像模式：当针尖在样品表面扫描时，始终保持不与样品表面接触(一般保持5~20nm的距离)。在非接触模式中， 针尖与样品间的作用力是长程力——范德华吸引力。由于针尖始终不与样品表面接触，因而避免了接触模式中遇到的一些问题。缺点是由于范德华力非常小，因此比接触模式的分辨率较低，并且不适合于液体中成像。

　　③轻敲成像模式：同非接触模式相似， 在针尖扫描过程中，微悬臂也是振荡的，其振幅比非接触模式更大，同时针尖在振荡时间断地与样品接触。优点是分辨率高(近乎等同接触模式);可应用于柔软、易碎和粘附性样品;由于作用力是垂直的，材料表面受横向摩擦力、压缩力、剪切力的影响较小。

　　3、原子力显微镜的应用

　　由于原子力显微镜对所分析样品的导电性无要求，因此使其在诸多材料领域中得到了广泛应用。原子力显微镜可作为纳米级的“压痕器”，用来测量材料的弹性、塑性、硬度等性质。

扫描隧道显微镜

　　1、扫描隧道显微镜工作原理

　　扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

　　尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

　　2、扫描隧道显微镜工作模式

　　根据针尖与样品间相对运动方式的不同，扫描隧道显微镜有两种工作模式：恒电流模式和恒高模式。

　　恒电流模式：扫描时，在偏压不变的情况下，始终保持隧道电流恒定。

　　恒高模式：始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫描，随样品表面高低起伏，隧道电流不断变化。所得到的扫描隧道显微镜图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构，而且还反映了原子的电子结构特征。

　　恒电流模式是扫描隧道显微镜Z常用的一种工作模式。以恒电流模式工作时，由于STM的针尖是随着样品表面的起伏而上下运动，因此不会因表面起伏太大而碰撞到样品表面，所以恒电流模式适于观察表面起伏较大的样品。

　　恒高模式工作时，由于针尖的高度恒定不变，所以仅适用于观察表面起伏不大的样品。但在恒高模式下工作，获取扫描隧道显微镜图像快，且能有效地减少噪音和热漂移对隧道电流的干扰，提高分辨率。

　　3、扫描隧道显微镜特点

　　与TEM、SEM等分析技术相比，扫描隧道显微镜具有如下特点：

　　①扫描隧道显微镜结构简单。

　　②其实验可在多种环境中进行：如大气、超高真空或液体(包括在绝缘液体和电解液中)。

　　③工作温度范围较宽，可在mK到1100K范围内变化。这是目前任何一种显微技术都不能同时做到的。

　　④分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分辨率可以分别达到0.1nm和0.01nm。因此可直接观察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三维结构图像。

　　⑤在观测材料表面结构的同时，可得到材料表面的扫描隧道谱(STS)，从而可以研究材料表面化学结构和电子状态。

　　⑥不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。

　　4、扫描隧道显微镜应用

　　利用扫描隧道显微镜可直接观测材料表面原子是否具有周期性的表面结构特征，表面的重构和结构缺陷等。

原子力显微镜与扫描隧道显微镜的区别

　　扫描隧道显微镜的一个主要缺点是样品必须具有导电性，如果没有的话就不能产生隧穿电流，从而导致无法观察。扫描隧道显微镜的发明激发了一系列基于类似技术方案的显微术，原子力显微镜就是其中之一，但原子力显微镜并不要求样品必须导电。

　　与扫描隧道显微镜一样，原子力显微镜也有微小的探针，这个小的探针在材料的表面扫描，由于它距离材料表面很近，所以能感受到材料表面对探针的微弱的力的作用，与探针相连的微小的悬臂在力的作用下会发生方位的改变，这会使照射在悬臂上的激光光束发生偏转，计算机可以收集并处理这些偏转的光信号，并合成材料表面的形貌。

　　原子力显微镜比扫描隧道显微镜更便宜实用，目前在实验室里应用的很广泛。它的分辨率Z小可以达到几埃(或几个原子的大小)，比扫描隧道显微镜要差一些，但要比光学显微术强多了。通过使用不同的探针，原子力显微镜还可以探测压电/铁电，甚至铁磁结构。