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基于STM发展起来的新型显微镜

2016-05-20新闻资讯

1 扫描隧道显微镜的局限性

    由于扫描隧道显微镜领域天生就是交叉科学,其根深埋于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论之中,所以尽管扫描隧道显微镜有着许多优点,发展迅速并在很多领域得到应用。但由仪器本的工作方式所造成的局限性也是显而易见的,主要  现在以下三个方面:

   ● 描隧道显微镜在恒电流工作模式下,有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测,与此相关的分辨率较差.

天下釆票免费资料大全   ● 描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性,对于半导体,观测的效果就差于导体,对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层,则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。

   ● 描隧道显微镜的工作条件受限制,如运行时要防振动,探针材料在南方应选铂金,而不能用钨丝,钨探针易生锈。

2 各种新型显微镜

    基于STM 的基本原理,现在已发展起来了一系列扫描探针显微镜(SPM),如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜 (MFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描电容显微镜 (SCAM)、扫描近场光学显微镜 (SNOM)、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测 面或界面在纳米尺度现出的物理性质和化学性质。现简要介绍几种与STM有密切勿联系的新型显微镜。

2。1 原子力显微镜 (AFM)

    原子力显微镜,Atomic Force Microscope (AFM),是利用原子、分子间的相互作用力 (主要范德华力,价键力,  面张力,万有引力,以及静电力和磁力等)来观察物体表面微观形貌的新型实验技术。
    原理简述:利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上,当针尖很靠近样品时,其顶端的原子与样品 面原子间的作用力会使悬臂弯曲,偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像,就能间接获得样品表面的形貌图。
    AFM突破了STM只能够用于扫描不容易氧化的良导体样品的限制,可以扫描导体和绝缘体。AFM 具有多种扫描模式:接触扫描模式是原子力显微镜的基本工作模式,轻敲扫描模式(Tapping Mode)特别适用于检测生物样品及其它柔软、易碎、粘附性较强的样品。

2.2 磁力显微镜 (MFM)和静电力显微镜 (EFM)

    在原子力显微镜(AFM)中,接触模式和轻敲模式都是利用探针和样品之间的短程(~A)力进行成像的,在这种情况下,样品和探针之间的长程力 (如磁力和静电力)往往不能被测量。抬起模式提供了一种测量长程力的工作模式,可以排除样品 面形貌的影响,而得到样品的一些其他信息。磁力显微镜及静电力显微镜的工作原理相似,其工作模式都属于抬起模式的原子力显微镜。
    抬起模式的原理如下:
    1. 在样品表面扫描,得到样品的表面形貌信息,这个过程与在轻敲模式中成像一样;   
    2. 探针回到当前行扫描的开始点,增加探针与样品之间的距离 (即抬起一定的高度),根据第一次扫描得到的样品形貌,始终保持探针与样品之间的距离,进行第二次扫描。在这个阶段,可以通过探针悬臂振动的振幅和相位的变化,得到相应的长程力的图像;
    3. 在抬起模式中,必须根据所要测量的力的性质选择相应的探针。   磁力显微镜和静电力显微镜采用的都是原子力显微镜的抬起模式。在抬起模式中,用户可以选择 面有磁性物质覆盖的微悬臂探针。当磁性针尖在磁场中扫描时,磁场引起悬臂振动的振幅或相位发生变化,从而可以获得反映样品 面磁性性质的扫描结果,形成磁力图。与磁力显微镜相似,用户可以在抬起模式中,选择 面有导电覆盖层的微悬臂探针,获得反映样品表面静电力性质的扫描结果,形成静电力图。 

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