掃描探針顯微鏡的發(fā)明使人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)與改造深入到了原子、分子層次。掃描探針顯微鏡不是簡(jiǎn)單用來(lái)成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。這種全新的顯微鏡在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、微電子學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用，以至于人們逐漸認(rèn)識(shí)到：這類顯微鏡的問(wèn)世不僅僅是顯微技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，而且標(biāo)志著一個(gè)科技新紀(jì)元——納米科技時(shí)代的開(kāi)始。掃描探針顯微鏡在不到20年的時(shí)間里得到了飛速的發(fā)展，為了適應(yīng)不同的研究需要，出現(xiàn)了各種發(fā)展方向。

掃描探針顯微鏡的應(yīng)用

掃描探針顯微鏡是基于探針在被測(cè)試樣表面上進(jìn)行縱、橫向掃描引起相關(guān)檢測(cè)量變化的原理研制的設(shè)備。已滲入微電子技術(shù)、生物技術(shù)、基因工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)、表面技...[查看全部]

掃描探針顯微鏡(SPM)具有高精度成像、納米操縱等功能，是納米科技、生命科學(xué)、材料科學(xué)和微電子等科學(xué)研究的重要工具，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師們對(duì)掃描探針顯微鏡的性能也提出越來(lái)越高的要求。

掃描探針顯微鏡發(fā)展歷史

1981年，Bining，Rohrer在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)并為此獲得1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。STM的出現(xiàn)使人類能夠?qū)υ蛹?jí)結(jié)構(gòu)和活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行觀察。由于STM需要被測(cè)樣本必須為導(dǎo)體或半導(dǎo)體，其應(yīng)用受到一定的局限。

1985年，原子力顯微鏡(AFM)的發(fā)明則將觀察對(duì)象由導(dǎo)體、半導(dǎo)體擴(kuò)展到絕緣體。

此后，人們?cè)赟TM和AFM原理的基礎(chǔ)上利用樣品與探針之間多種不同關(guān)系，發(fā)明了力調(diào)制顯微鏡(FMM)、相位檢測(cè)顯微鏡(PDM)、靜電力顯微鏡(EFM)、電容掃描顯微鏡(SCM)、熱掃描顯微鏡(SThM)和近場(chǎng)光隧道掃描顯微鏡(NSOM)等各種系列顯微鏡，這些顯微鏡都是基于探針在被測(cè)樣本表面上進(jìn)行橫向和縱向掃描，并檢測(cè)探針針頭與樣品表面之間相關(guān)檢測(cè)量變化的原理研制的設(shè)備，因此，以上各系列顯微鏡被統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。

掃描探針顯微鏡系列產(chǎn)品以近似相同的成像方法測(cè)量不同對(duì)象的微觀特性，它們的共同特點(diǎn)是突破了傳統(tǒng)的光學(xué)和電子光學(xué)成像原理，從而使人類以原子或分子尺度上測(cè)量各種物理量成為可能。

掃描探針顯微鏡被比作納米的“眼”和“手”，具有高精度(原予級(jí))觀測(cè)和納米操縱制造功能。掃描探針顯微鏡已經(jīng)往納米科技、材料科學(xué)、化學(xué)、生物等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。例如膠原蛋白脫水過(guò)稃的觀察、單分子化學(xué)反應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)InAs/lnP納米線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究以及對(duì)高通量的納米材料與納米器件的制造等，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也對(duì)科研工具掃描探針顯微鏡的性能提出越來(lái)越高的要求，要求掃描探針顯微鏡具有更快的成像速度、更高的成像精度以及操縱的魯棒性。

雖然硬件

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掃描探針顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種新型探針顯微鏡(原子力顯微鏡，靜電力顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描離子電導(dǎo)顯微鏡，掃描電化學(xué)顯微鏡等)的統(tǒng)稱，是國(guó)際上近年發(fā)展起來(lái)的表面分析儀器。

掃描探針顯微鏡原理及結(jié)構(gòu)

掃描探針顯微鏡的基本工作原理是利用探針與樣品表面原子分子的相互作用，即當(dāng)探針與樣品表面接近至納米尺度時(shí)形成的各種相互作用的物理場(chǎng)，通過(guò)檢測(cè)相應(yīng)的物理量而獲得樣品表面形貌。掃描探針顯微鏡豐要由探針、掃描器、位移傳感器、控制器、檢測(cè)系統(tǒng)和圖像系統(tǒng)5部分組成。

控制器通過(guò)掃描器在豎直舛由方向移動(dòng)樣品以使探針和樣品之間的距離(或相互作用的物理量)穩(wěn)定在某一固定值;同時(shí)在x-y水平平面移動(dòng)樣品，使探針按照掃描路徑掃描樣品表面。掃描探針顯微鏡在穩(wěn)定探針與樣品間距的情況下，檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)探針與樣品之間相互作用的相關(guān)物理量信號(hào);在穩(wěn)定相互作用物理量的情況下，則通過(guò)豎直方向礴由位移傳感器檢測(cè)探針與樣品之問(wèn)距離。圖像系統(tǒng)則根據(jù)檢測(cè)信號(hào)(或探針與樣品間距)對(duì)樣品表面進(jìn)行成像等圖像處理。

根據(jù)所利用的探針與樣品之間相互作用物理場(chǎng)的不同，掃描探針顯微鏡被分為不同系列的顯微鏡。其中掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)是比較常用的兩類掃描探針顯微鏡。掃描隧道顯微鏡是通過(guò)檢測(cè)探針與被測(cè)樣品之間的隧道電流的大小來(lái)檢測(cè)樣品表面結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡是通過(guò)光電位移傳感器檢測(cè)針尖一樣品間的相互作用力(既有可能足吸引力，也有可能是排斥力)所引起的微懸臂形變來(lái)檢測(cè)樣品表面。

掃描探針顯微鏡的特點(diǎn)

掃描探針顯微鏡是除了場(chǎng)離子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡之后的第三種以原子尺度觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯微鏡。以掃描隧道顯微鏡(STM)為例，其橫向分辨率為0.1~0.2nm，縱向深度分辨率則為0.01nm，這樣的分辨率可以清楚地觀測(cè)到分布在樣品表面的單個(gè)原子或分子。同時(shí)，掃描探針顯微鏡還可以在空氣，其

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掃描探針顯微鏡不是簡(jiǎn)單成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。掃描探針顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的，無(wú)論是物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，還是材料、微電子等應(yīng)用學(xué)科都有用武之地。

掃描探針顯微鏡的種類

掃描探針顯微鏡主要可分為掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、力調(diào)制顯微鏡(FMM)、相位檢測(cè)顯微鏡(PDM)、靜電力顯微鏡(EFM)、電容掃描顯微鏡(SCM)、熱掃描顯微鏡(SThM)和近場(chǎng)光隧道掃描顯微鏡(NSOM)等各種系列顯微鏡。

這些顯微鏡都是基于探針在被測(cè)樣本表面上進(jìn)行橫向和縱向掃描，并檢測(cè)探針針頭與樣品表面之間相關(guān)檢測(cè)量變化的原理研制的設(shè)備，因此，以上各系列顯微鏡被統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。

掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)。當(dāng)針尖和試樣面間距離足夠小時(shí)(原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(AFM)基本原理是由于試樣面原子排列產(chǎn)生“凸凹不平”，當(dāng)探針在水平方掃描時(shí)，針尖同試樣面間的距離在垂直方向便會(huì)產(chǎn)生變化。由固體物理學(xué)理論可知，當(dāng)探針針尖同試樣面很近時(shí)，其間會(huì)產(chǎn)生原子間力。針尖同試樣面間垂直方向的變化距離導(dǎo)致針尖同試樣面間原子間力的變化。變化的原子間力引起懸臂梁在垂直方向發(fā)生振動(dòng)，因此，利用激光束的偏轉(zhuǎn)可檢測(cè)出針尖同試樣面間變化的原子間力。將激光束的偏轉(zhuǎn)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，可得到試樣面的表面信息。在試樣面下方裝有壓電材料，用以接受計(jì)算機(jī)輸出的反

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掃描探針顯微鏡是基于探針在被測(cè)試樣表面上進(jìn)行縱、橫向掃描引起相關(guān)檢測(cè)量變化的原理研制的設(shè)備。已滲入微電子技術(shù)、生物技術(shù)、基因工程、生命科學(xué)、材料科學(xué)、表面技術(shù)、信息技術(shù)和納米技術(shù)等各種尖端科學(xué)領(lǐng)域。

掃描探針顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域

掃描探針顯微鏡用于單原子操縱：

1959年美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者Richard說(shuō):“如果我們能夠按自己的意愿排列原子，將會(huì)出現(xiàn)何物?這些物質(zhì)的性質(zhì)如何?雖然這個(gè)問(wèn)題我們現(xiàn)在不能回答，但我決不懷疑我們能在如此小的尺寸上操縱原子?！蹦壳?，Richard的設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)了。

使用掃描隧道顯微鏡進(jìn)行單原子操縱的較普遍的方法，是在針尖和試樣面之間施加偏置電壓。由于針尖同試樣面之間的距離很小，因此，在偏置電壓作用下，針尖和試樣面之間將產(chǎn)生強(qiáng)大電場(chǎng)(109～1010V/m)。試樣面上的吸附電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)被移動(dòng)或提取，在試樣面上留下空穴，從而實(shí)現(xiàn)單原子的移動(dòng)和操縱。同樣，吸附在針尖上的原子也有可能在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)而沉積到試樣面上，完成單原子的放置。

利用原子力顯微鏡進(jìn)行單原子操縱還處于研究階段。通過(guò)控制針尖同試樣面之間的距離，利用針尖和試樣面原子之間不同的原子間力，實(shí)現(xiàn)原子操縱。目前，利用掃描探針顯微鏡實(shí)現(xiàn)原子操縱是掃描探針顯微鏡研究的又一新熱點(diǎn)，并因此帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科產(chǎn)生新一輪革命?！罢怯捎趻呙杼结橈@微鏡的精確性和準(zhǔn)確性，顯然對(duì)傳統(tǒng)微電子工藝形成了沖擊和震動(dòng)”。

掃描探針顯微鏡用于生物技術(shù)和生命科學(xué)：

掃描探針顯微鏡在生物技術(shù)和生命科學(xué)中，也具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前掃描探針顯微鏡在生物技術(shù)中的主要應(yīng)用有：基因分析、染色體和細(xì)胞膜分析，蛋白質(zhì)和核酸聚合分析，新物種產(chǎn)生等領(lǐng)域。

掃描探針顯微鏡用于信息技術(shù)：

掃描探針顯微鏡是IBM公司的科學(xué)家發(fā)明的，它在信息技術(shù)的應(yīng)用，一直是人們關(guān)注的，隨著科技的進(jìn)步，對(duì)芯片的計(jì)算

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