掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope，縮寫為STM)，亦稱為掃描穿隧式顯微鏡，是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。它于1981年由格爾德·賓寧及海因里希·羅雷爾在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明，兩位發(fā)明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。

它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微鏡在低溫下(4K)可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

它主要是利用一根非常細的鎢金屬探針，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，同時，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，針尖隨著物體表面的高低上下移動以維持穩(wěn)定的電流，依此來觀測物體表面的形貌。

換句話說，掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料(針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成)。一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面。當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細致地探出它的輪廓。在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個網格結構的單個原子的美麗圖片。

原子力顯微鏡(atomic force microscope，簡稱AFM)，也稱掃描力顯微鏡(scanning force microscopy，SFM))是一種納米級高分辨的掃描探針顯微鏡，是由IBM蘇黎士研究實驗室的比寧(Gerd Binning)、魁特(Calvin Quate)和格勃(Christoph Gerber)于1986年發(fā)明的。AFM測量的是探針頂端原子與樣品原子間的相互作用力——即當兩個原子離得很近使電子云發(fā)生重疊時產生的泡利(Pauli)排斥力。工作時計算機控制探針在樣品表面進行掃描，根據探針與樣品表面物質的原子間的作用力強弱成像。

世界上第一臺原子力顯微鏡和發(fā)明人之一比寧

以一種簡單的方式進行類比，如同一個人利用一艘小船和一根竹竿繪制河床的地形圖。人可以站在小船上將竹竿伸到河底，以此判斷該點的位置河床的深度，當在一條線上測量多個點后就可以知道河床在這條線上的深度。同樣道理繪制多條深度線進行組合，一張河床的地形圖就誕生了。與此類似，在AFM工作時的，原子力傳感器相當于人和他手中的竹竿，探針頂端原子與樣品原子間作用力的大小就相當于竹竿觸及河底時水面下的長度。這樣，在一艘小船(控制系統(tǒng))的控制下進行逐點逐行的掃描，AFM就可以繪制出一張顯微圖像啦。

普通原子力顯微鏡的原理示意圖

原理解釋起來并不算十分復雜，但是AFM的發(fā)明、使用與改進匯聚了大批科學家們的辛勞努力和創(chuàng)造性思維。特別是拍攝到氫鍵實空間圖像所使用的非接觸式原子力顯微鏡，經過分子沉積、溫度控制、防振、探針、真空、控制系統(tǒng)等多方面的摸索與改造才最終具有如此強大的分辨能力。

  1 基本原理

原子力顯微鏡的基本原理是：將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力，通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

2 成像模式

原子力顯微鏡的主要工作模式有靜態(tài)模式和動態(tài)模式兩種。在靜態(tài)模式中，懸臂從樣品表面劃過，從懸臂的偏轉可以直接得知表面的高度圖。在動態(tài)模式中，懸臂在其基頻或諧波或附近振動，而其振幅、相位和共振與探針和樣品間的作用力相關，這些參數相對外部參考的振動的改變可得出樣品的性質。

1）接觸模式

在靜態(tài)模式中，靜態(tài)探針偏轉用做反饋信號。因為靜態(tài)信號的測試與噪音和偏移成正比，低硬度探針用來增強外偏轉信號。然而，因為探針非常接近于樣品的表面，吸引力非常強導致探針切入樣品表面。因此靜態(tài)原子力顯微鏡幾乎都用在總使用力為排斥力的情況。結果，這種技術經常被叫做“接觸模式”。在接觸模式中，掃描過程時保持探針偏轉不變來使其探針和樣品表面的作用力保持恒定。

2）非接觸模式

原子力顯微鏡非接觸模式

在這種模式下，懸臂上的探針并不接觸樣品表面，而是以比其共振頻率略高的頻率振動，振幅通常小于幾納米。范德華力在探針距離表面樣品1~3納米時最強，它與其他在表面上的長程力會降低懸臂的振動頻率。

通過調整探針與樣品間的平均距離，頻率的降低與反饋回路一起保持不變的振動頻率或振幅。測量(x,y)每個數據點上的探針與樣品間的距離即可讓掃描軟件構建出樣品表面的形貌。

在接觸模式下掃描數次通常會傷害樣品和探針，但非接觸模式則不會，這個特點使得非接觸模式通常用來測試柔軟的樣品，如生物組織和有機薄膜;而對于堅硬樣品，兩個模式得到的圖像幾乎一樣。然而，如果在堅硬樣品上裹有一層薄膜或吸附有流體，兩者的成像則差別很大。接觸模式下探針會穿過液體層從而成像其下的表面，非接觸模式下則探針只在吸附的液體層上振動，成像信息是液體和下表面之和。

動態(tài)模式下的成像包括頻率調制和更廣泛使用的振幅調制。頻率調制中，振動頻率的變化提供探針和樣品間距的信息。頻率可以被非常靈敏地測量，因此頻率調制使用非常堅硬的懸臂，因其在非?？拷砻鏁r仍然保持很穩(wěn)定;因此這種技術是第一種在超高真空條件下獲得原子級分辨率的原子力顯微鏡技術。振幅調制中，懸臂振幅和相位的變化提供了圖像的反饋信號，而且相位的變化可用來檢測表面的不同材料。 振幅調制可用在非接觸模式和間歇接觸領情況。在動態(tài)接觸模式中，懸臂是振動的，以至懸臂振動懸臂探針和樣品表面的間距是調制的。[來源請求]振幅調制也用于非接觸模式中，用來在超高真空條件下使用非常堅硬的懸臂和很小的振幅來得到原子級分辨率。

3）輕敲模式

在不同的pH的溶液環(huán)境中使用輕敲模式得到的高分子單鏈的原子力顯微鏡圖(0.4 nm 厚)

通常情況下，絕大部分樣品表面都有一層彎曲液面，為此非接觸模式下使探針足夠靠近樣品表面從而可以測試短程力，但是此時探針又容易粘貼到樣品表面，這是經常發(fā)生的大問題;動態(tài)模式就是為了避免此問題而發(fā)明的，又叫做間歇接觸模式(intermittent contact)、輕敲模式(tapping mode)或AC模式(AC Mode)。在輕敲模式中，懸臂通過類似于非接觸下的裝載在探針上的微小的壓電元件做來上下振動，頻率在其共振頻率附近，然而振幅則遠大于10納米，大概在100~200納米間。當探針越靠近樣品表面時，探針和樣品表面間的范德華力、偶極偶極作用和靜電力等作用力會導致振幅越來越小。電子自動伺服機通過壓電制動器來控制懸臂和探針間的距離，當懸臂掃描樣品表面時，伺服機會調整探針和樣品間距來保持懸臂的預設的振幅，而成像相互作用力則得到原子力顯微鏡輕敲模式圖像。輕敲模式減少了接觸模式中對樣品和探針和損傷，它是如此的溫和以致于可以成像固定的磷脂雙分子層和吸附的單個高分子鏈。比如液相的0.4納米厚的合成聚合物電解質，在合適的掃描條件下，單分子實驗可以在幾小時內保持穩(wěn)定。

3 優(yōu)點與缺點

相對于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。他就像盲人摸象一樣，在物體的表面慢慢撫摸，原子的形狀很直觀的表現。

和掃描電子顯微鏡相比，AFM的缺點在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。

[來源：中國科普博覽/葉小球科學網博客] 掃描隧道顯微鏡STMAFM