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  • 基于STM發展起來的新型顯微鏡

    2016-05-20新聞資訊

    1 掃描隧道顯微鏡的局限性

    ??? 由于掃描隧道顯微鏡領域天生就是交叉科學,其根深埋于量子力學、固體物理、化學物理、電子物理、機械工程和控制論之中,所以盡管掃描隧道顯微鏡有著許多優點,發展迅速并在很多領域得到應用。但由儀器本的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的,主要? 現在以下三個方面:

    ?? ● 描隧道顯微鏡在恒電流工作模式下,有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測,與此相關的分辨率較差.

    ?? ● 描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性,對于半導體,觀測的效果就差于導體,對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層,則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。

    ?? ● 描隧道顯微鏡的工作條件受限制,如運行時要防振動,探針材料在南方應選鉑金,而不能用鎢絲,鎢探針易生銹。

    2 各種新型顯微鏡

    ??? 基于STM 的基本原理,現在已發展起來了一系列掃描探針顯微鏡(SPM),如原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡 (MFM)、彈道電子發射顯微鏡(BEEM)、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)、掃描電容顯微鏡 (SCAM)、掃描近場光學顯微鏡 (SNOM)、掃描近場聲顯微鏡、掃描近場熱顯微鏡、掃描電化學顯微鏡等。這些顯微技術都是利用探針與樣品的不同相互作用來探測 面或界面在納米尺度現出的物理性質和化學性質。現簡要介紹幾種與STM有密切勿聯系的新型顯微鏡。

    2.1 原子力顯微鏡 (AFM)

    ??? 原子力顯微鏡,Atomic Force Microscope (AFM),是利用原子、分子間的相互作用力 (主要范德華力,價鍵力,? 面張力,萬有引力,以及靜電力和磁力等)來觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術。
    ??? 原理簡述:利用納米級的探針固定在可靈敏操控的微米級尺度的彈性懸臂上,當針尖很靠近樣品時,其頂端的原子與樣品 面原子間的作用力會使懸臂彎曲,偏離原來的位置。根據掃描樣品時探針偏離量或其它反饋量重建三維圖像,就能間接獲得樣品表面的形貌圖。
    ??? AFM突破了STM只能夠用于掃描不容易氧化的良導體樣品的限制,可以掃描導體和絕緣體。AFM 具有多種掃描模式:接觸掃描模式是原子力顯微鏡的基本工作模式,輕敲掃描模式(Tapping Mode)特別適用于檢測生物樣品及其它柔軟、易碎、粘附性較強的樣品。

    2.2 磁力顯微鏡 (MFM)和靜電力顯微鏡 (EFM)

    ??? 在原子力顯微鏡(AFM)中,接觸模式和輕敲模式都是利用探針和樣品之間的短程(~A)力進行成像的,在這種情況下,樣品和探針之間的長程力 (如磁力和靜電力)往往不能被測量。抬起模式提供了一種測量長程力的工作模式,可以排除樣品 面形貌的影響,而得到樣品的一些其他信息。磁力顯微鏡及靜電力顯微鏡的工作原理相似,其工作模式都屬于抬起模式的原子力顯微鏡。
    ??? 抬起模式的原理如下:
    ??? 1. 在樣品表面掃描,得到樣品的表面形貌信息,這個過程與在輕敲模式中成像一樣;???
    ??? 2. 探針回到當前行掃描的開始點,增加探針與樣品之間的距離 (即抬起一定的高度),根據第一次掃描得到的樣品形貌,始終保持探針與樣品之間的距離,進行第二次掃描。在這個階段,可以通過探針懸臂振動的振幅和相位的變化,得到相應的長程力的圖像;
    ??? 3. 在抬起模式中,必須根據所要測量的力的性質選擇相應的探針。?? 磁力顯微鏡和靜電力顯微鏡采用的都是原子力顯微鏡的抬起模式。在抬起模式中,用戶可以選擇 面有磁性物質覆蓋的微懸臂探針。當磁性針尖在磁場中掃描時,磁場引起懸臂振動的振幅或相位發生變化,從而可以獲得反映樣品 面磁性性質的掃描結果,形成磁力圖。與磁力顯微鏡相似,用戶可以在抬起模式中,選擇 面有導電覆蓋層的微懸臂探針,獲得反映樣品表面靜電力性質的掃描結果,形成靜電力圖。?

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