扫描探针显微镜的原理|分类|应用

　　扫描探针显微镜(SPM)具有高精度成像、纳米操纵等功能，是纳米科技、生命科学、材料科学和微电子等科学研究的重要工具，随着科学技术的发展，科学家和工程师们对扫描探针显微镜的性能也提出越来越高的要求。

　　1981年，Bining，Rohrer在IBM苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜(STM)并为此获得1986年诺贝尔物理奖。STM的出现使人类能够对原子级结构和活动过程进行观察。由于STM需要被测样本必须为导体或半导体，其应用受到一定的局限。

　　1985年，原子力显微镜(AFM)的发明则将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体。

　　此后，人们在STM和AFM原理的基础上利用样品与探针之间多种不同关系，发明了力调制显微镜(FMM)、相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜，这些显微镜都是基于探针在被测样本表面上进行横向和纵向扫描，并检测探针针头与样品表面之间相关检测量变化的原理研制的设备，因此，以上各系列显微镜被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

　　扫描探针显微镜系列产品以近似相同的成像方法测量不同对象的微观特性，它们的共同特点是突破了传统的光学和电子光学成像原理，从而使人类以原子或分子尺度上测量各种物理量成为可能。

　　扫描探针显微镜被比作纳米的“眼”和“手”，具有高精度(原予级)观测和纳米操纵制造功能。扫描探针显微镜已经往纳米科技、材料科学、化学、生物等领域中得到广泛的应用。例如胶原蛋白脱水过稃的观察、单分子化学反应的实时监控、对InAs/lnP纳米线内部结构的研究以及对高通量的纳米材料与纳米器件的制造等，科学技术的发展也对科研工具扫描探针显微镜的性能提出越来越高的要求，要求扫描探针显微镜具有更快的成像速度、更高的成像精度以及操纵的鲁棒性。

　　虽然硬件

　　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

　　扫描探针显微镜不是简单成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。扫描探针显微镜的应用领域是宽广的，无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有用武之地。

　　扫描探针显微镜主要可分为扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、力调制显微镜(FMM)、相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜。

　　这些显微镜都是基于探针在被测样本表面上进行横向和纵向扫描，并检测探针针头与样品表面之间相关检测量变化的原理研制的设备，因此，以上各系列显微镜被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

　　扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是基于量子隧道效应。当针尖和试样面间距离足够小时( 查看全文

　　扫描探针显微镜是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备。已渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种科学领域。

　　扫描探针显微镜用于单原子操纵：

　　1959年美国物理学会年会上，诺贝尔物理奖获得者Richard说:“如果我们能够按自己的意愿排列原子，将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答，但我决不怀疑我们能在如此小的尺寸上操纵原子。”目前，Richard的设想可以实现了。

　　使用扫描隧道显微镜进行单原子操纵的较普遍的方法，是在针尖和试样面之间施加偏置电压。由于针尖同试样面之间的距离很小，因此，在偏置电压作用下，针尖和试样面之间将产生强大电场(109～1010V/m)。试样面上的吸附电子在强电场作用下，经过蒸发被移动或提取，在试样面上留下空穴，从而实现单原子的移动和操纵。同样，吸附在针尖上的原子也有可能在强电场作用下，经过蒸发而沉积到试样面上，完成单原子的放置。

　　利用原子力显微镜进行单原子操纵还处于研究阶段。通过控制针尖同试样面之间的距离，利用针尖和试样面原子之间不同的原子间力，实现原子操纵。目前，利用扫描探针显微镜实现原子操纵是扫描探针显微镜研究的又一新热点，并因此带动相关学科产生新一轮革命。“正是由于扫描探针显微镜的精确性和准确性，显然对传统微电子工艺形成了冲击和震动”。

　　扫描探针显微镜用于生物技术和生命科学：

　　扫描探针显微镜在生物技术和生命科学中，也具有广阔的应用前景。

　　目前扫描探针显微镜在生物技术中的主要应用有：基因分析、染色体和细胞膜分析，蛋白质和核酸聚合分析，新物种产生等领域。

　　扫描探针显微镜用于信息技术：

　　扫描探针显微镜是IBM公司的科学家发明的，它在信息技术的应用，一直是人们关注的，随着科技的进步，对芯片的计算功能