实验扫描隧道显微镜ppt课件.ppt

实验3．5 扫描隧道显微镜实验目的实验目的1.学习和了解扫描隧道显微镜的原理和构造；2.观测和验证量子力学中的隧道效应；3.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的外表形貌；4.学惯用计算机软件处置原始图象数据实验原理一、引言 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼〔G．Binning〕和海·罗雷尔〔H．Rohrer〕研制出世界上第一台扫描隧道显微镜〔Scanning Tunnelling Micro－scoPe，简称STM〕．STM使人类第一次可以实时地察看单个原子在物质外表的陈列形状和与外表电子行为有关的物化性质，在外表科学、资料科学、生命科学等领域的研讨中有着艰苦的意义和广泛的运用前景，被国际科学界公以为20世纪80年代世界十大科技成就之一．为表扬STM的发明者们对科学研讨所作出的出色奉献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．§ 原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接察看到比10-4m更小的物体或物质的构造细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以察看到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能到达10-7m. § 电子显微镜的发明开创了物质微观构造研讨的新纪元，扫描电子显微镜〔SEM〕的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜〔HTEM〕和扫描透射电子显微镜STEM〕可以到达原子级的分辨率——0．Inm，但主要用于薄层样品的体相和界面研讨，且要求特殊的样品制备技术和真空条件． § 场离子显微镜〔FIM〕是一种能直接察看外表原子的研讨安装，但只能探测半径小于 100 nm的针尖上的原子构造和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的资料也非常有限. X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期构造的样品进展研讨．§ 与其他外表分析技术相比，STM具有如下独特的优点：§ 1. 具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品外表方向上的分辨率分别可达 0．I nm 和 0．01 nm，即可以分辨出单个原子．§  这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨外表经过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。

2．可实时得到实空间中样品外表的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的外表构造的研讨，这种可实时察看的性能可用于外表分散等动态过程的研讨． § 3．可以察看单个原子层的部分外表构造，而不是对体相或整个外表的平均性质，因此可直接察看到外表缺陷外表重构、外表吸附体的形状和位置，以及由吸附体引起的外表重构等．硅硅111面面7 7原子重构象原子重构象 为了得到外表清洁的硅片单质资料，要对为了得到外表清洁的硅片单质资料，要对硅片进展高温加热和退火处置，在加热和退火硅片进展高温加热和退火处置，在加热和退火处置的过程中硅外表的原子进展重新组合，构处置的过程中硅外表的原子进展重新组合，构造发生较大变化，这就是所谓的重构造发生较大变化，这就是所谓的重构§ 4．可在真空、大气、常温等不同环境下任务，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需求特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研讨生物样品和在不同实验条件下对样品外表的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反响过程中电极外表变化的监测等液体中察看原子图象液体中察看原子图象 以下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附以下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶在铜单晶(111)外表的外表的STM图象。

图中硫酸根离子吸附图象图中硫酸根离子吸附形状的一级和二级构造明晰可见形状的一级和二级构造明晰可见§ 5．配合扫描隧道谱〔STS〕可以得到有关外表电子构造的信息，例如外表不同层次的态密度外表电子阱、电荷密度波、外表势垒的变化和能隙构造等．§ §6．利用STM针尖，可实现对原子和分子的挪动和支配，这为纳米科技的全面开展奠定了根底．1990年，IBM公司的科学家展现了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍外表用35个惰性气体氙原子组成“IBM〞三个英文字母二．隧道二．隧道电电流流§ 扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的任务原理是基于量子力学中的隧道效应对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不能够越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回而按照量子力学的计算，在普通情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1)这个景象称为隧道效应  隧道效应是由于粒子的动摇性而引起的，只需在一定的条件下，隧道效应才会显著经计算，透射系数T为：： §由式(1)可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。

随着势垒厚(宽)度a的添加，T将指数衰减，因此在普通的宏观实验中，很难察看到粒子隧穿势垒的景象§ 扫描隧道显微镜的根本原理是将原子线度的极细探针和被研讨物质的外表作为两个电极，当样品与针尖的间隔非常接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间间隔S以及平均功函数Φ有关： 式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 §Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1隧道探针普通采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流二．二．扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜的任的任务务原理原理  § 由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的间隔有着指数依赖关系，当间隔减小0.1nm，隧道电流即添加约一个数量级因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品外表微小的高低起伏变化的信息，假好像时对x-y方向进展扫描，就可以直接得到三维的样品外表形貌图，这就是扫描隧道显微镜的任务原理 § 扫描隧道显微镜主要有两种任务方式：恒电流方式和恒高度方式。

§ a) 恒电流方式：如图〔a〕所示， § x-y方向进展扫描，在z方向加上电子反响系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品外表凸起时，针尖就向后退；反之，样品外表凹进时，反响系统就使针尖向前挪动，以控制隧道电流的恒定将针尖在样品外表扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品外表的态密度的分布或原子陈列的图象此方式可用来察看外表形貌起伏较大的样品，而且可以经过加在z方向上驱动的电压值推算外表起伏高度的数值§ b) 恒高度方式：如图(b)所示，在扫描过程中坚持针尖的高度不变，经过记录隧道电流的变化来得到样品的外表形貌信息这种方式通常用来丈量外表形貌起伏不大的样品¡实验仪器和样品一、隧道一、隧道针针尖尖§ 隧道针尖的构造是扫描隧道显微技术要处理的主要问题之一针尖的大小、外形和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的外形，§而且也影响着测定的电子态 § 针尖的宏观构造应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度假设针尖的尖端只需一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且可以获得原子级分辨的图象。

针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒例如，针尖外表假设有氧化层，那么其电阻能够会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞§ 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等制备针尖的资料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等钨针尖的制备常用电化学腐蚀法而铂-铱合金针尖那么多用机械成型法，普通直接用剪刀剪切而成不论哪一种针尖，其外表往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是呵斥隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的缘由因此，每次实验前，都要对针尖进展处置，普通用化学法清洗，去除外表的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性二．三二．三维扫维扫描控制器描控制器1.压电压电陶瓷陶瓷2.由由于于仪仪器器中中要要控控制制针针尖尖在在样样品品外外表表进进展展高高精精度度的的扫扫描描，，用用普普通通机机械械的的控控制制是是很很难难到到达达这这一一要要求求的的目目前前普普遍遍运运用用压压电电陶陶瓷瓷资资料作料作为为x-y-z扫扫描控制器件描控制器件§所谓压电景象是指某种类型的晶体在遭到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶领会产生物理形变的景象。

许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷资料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等压电陶瓷资料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移2．三．三维扫维扫描控制器描控制器§用压电陶瓷资料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种左图给出了这几种类型的构造表示简图，其中：§(a)为三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷资料以相互正交的方向结合在一同，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动§ (b)为单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决议)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲经过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实如今x-y方向的相互垂直挪动在z方向的运动是经过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，添加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调理扫描区域。

§ (c)为十字架配合单管型，z方向的运动由处在“十〞字型中心的一个压电陶瓷管完成，x和y扫描电压以大小一样、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上这种构造的x-y扫描单元是一种互补构造，可以在一定程度上补偿热漂移的影响§ Binnis和Rohrer等人早期在IBM苏黎世实验室设计的STM中，采用一个叫作“虱子〞〔Louse〕的粗调驱动器〔见以下图〕  图 样品粗调驱动器§粗调驱动器(L)由连成三角形的三条相互绝缘的压电陶瓷资料和三只金属脚〔MF〕构成．MF外镀一层高绝缘薄膜，使其与程度金属台板(GP)高度绝缘．在MF和GP之间加上电压，由于静电作用MF就被吸在GP上，去掉电压，MF那么被“释放〞． §假设把两只MF固定在GP上，同时在构成三角形的压电陶瓷条中的相应两条施加电压，由于这两条压电陶瓷资料的膨胀或收缩〔根据所加电压的符号〕，另一只没有固定的MF就会作微小挪动．再把这只MF固定而放松前两只MF，同时去掉加在压电陶瓷上的电压，使其长度复原．这一循环的结果是“虱子〞爬行了一步以适当的顺序控制加在压电陶瓷上和MF上的电压和频率，可以使“虱子〞在 GP上沿不同方向一步步爬行．普通每步在10μm 至许1μm之间，每 秒可爬行30步．用这个方法可以把样品挪动到与探针适当的间隔和位置，也可以把样品从探针处移开，以便作清洁处置和其它丈量． §最近美国Burleigh仪器公司推出一种压电陶瓷步进马达，其任务原理示于以下图 总结各种样品与针尖粗调机构，主要可以分为下三种： 〔1〕爬行方式：利用静电力、机械力或磁力的夹紧，并配合压电陶瓷资料的膨胀或收缩，使样品架或什尖向前爬行，如前所述“虱子〞型的样品挪动台和压电陶瓷步进电机都属于这一种． 〔2〕机械调理方式：利用一个或多个高精度的差分调理螺杆，配合减速原理靠机械力调理样品的位置．当然差分调理螺杆的旋转可以手动，亦可由步进电机等方式驱动．〔3〕螺杆与簧片结合方式：用一个高精度调理螺杆直接顶住一个差分弹簧或责片系统来调理．各种方式都各有千秋，第一种方式常在真空条件下运用，第二种方式在大气环境中用的较多，而在低温条件下，多采用第三种方式．三．减震系三．减震系统统§由于仪器任务时针尖与样品的间距普通小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。

必需隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的隔绝震动主要从思索外界震动的频率与仪器的固有频率入手 §外界震动如建筑物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、任务人员所引起的震动等，其频率普通在1到100Hz之间，因此隔绝震动的方法主要是靠提高仪器的固有频率和运用震动阻尼系统 §扫描隧道显微镜的底座经常采用金属板〔或大理石〕和橡胶垫叠加的方式，其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼普通是临界阻尼的非常之几甚至是百分之几§除此之外，仪器中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式金属弹簧的弹性常数小，共振频率较小(约为0.5Hz)，但其阻尼小，经常要附加其它减震措施§在普通情况下，以上两种减震措施根本上可以满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合诸如磁性涡流阻尼等其它减震措施丈量时，探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进展屏蔽，提高探测的准确性四．四．电电子学控制系子学控制系统统§扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流方式中还要将隧道电流与设定值相比较，再经过反响系统控制探针的进与退，从而坚持隧道电流的稳定。

一切这些功能，都是经过电子学控制系统来实现的图1给出了扫描隧道显微镜电子学控制控制系统的框图§该电子反响系统最主要的是反响功能，这里采用的是模拟反响系统，即针尖与样品之间的偏压由计算机数模转换通道给出，再经过X、Y、Z偏压控制压电陶瓷三个方向的伸缩，进而控制针尖的扫描电子学控制系统中的一些参数，如隧道电流、针尖偏压的设定值，反响速度的快慢等，都随着不同样品而异，因此在实践丈量过程中，这些参量是可以调理的普通在计算机软件中可以设置和调理这些数值，也可以直接经过电子学控制机箱上的旋钮进展调理五．在五．扫线扫描控制和离描控制和离线线数据数据处处置置软软件件§在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为扫描控制和离线数据分析两部分 〔一〕〔一〕 在扫线扫描控制描控制§1．参数．参数设设置置§在在扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜实实验验中中，，计计算算机机软软件件主主要要实实现现扫扫描描时时的的一一些些根根本本参参数数的的设设定定、、调调理理，，以以及及获获得得、、显显示示并并记记录录扫扫描描所所得得数数据据图图象象等等计计算算机机软软件件将将经经过过计计算算机机接接口口实实现现与与电电子子设设备备间间的的协协调调共共同同任任务务。

在线扫扫描控制中一些参数的描控制中一些参数的设设置功能如下：置功能如下：§“电流设定〞的数值意味着恒电流方式中要坚持的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品外表之间的恒定间隔该数值设定越大，这一恒定间隔也越小丈量时“电流设定〞普通在“0.5-1.0nA〞 范围内§“针尖偏压〞是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值这一数值设定越大，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流方式中坚持的恒定间隔越小，恒高度扫描方式中产生的隧道电流也越大针尖偏压〞值普通设定在“50-100mV〞范围左右§“Z电压〞是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷资料上的真实电压Z电压的初始值决议了压电陶瓷的初始形状，随着扫描的进展，这一数值要发生变化Z电压〞在探针 远 离 样 品 时 的 初 始 值 普 通 设 定 在 “-150.0mV— -200.0mV〞左右§“采集目的〞包括“高度〞和“隧道电流〞两个选项，选择扫描时采集的是样品外表高度变化的信息还是隧道电流变化的信息§“输出方式〞决议了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线§“扫描速度〞可以控制探针扫描时的延迟时间，该值越小，扫描越快§“角度走向〞是指探针程度挪动的偏转方向，改动角度的数值，会使扫描得到的图象发生旋转。

§“尺寸〞是设置探针扫描区域的大小，其调理的最大值有量程决议尺寸越小，扫描的精度也越高，改动尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与减少的作用§“中心偏移〞是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移间隔，改动中心偏移的数值能使针尖发生微小尺度的偏移中心偏移的最大偏移量是当前量程决议的最大尺寸§“任务方式〞决议扫描方式是恒电流方式还是恒高度方式§“斜面校正〞是指探针沿着倾斜的样品外表扫描时所做的软件校正§“往复扫描〞决议能否进展来回往复扫描§“量程〞是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小§这些参数的设置除了利用扫描软件外，利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调理这些参数2．．马马达控制达控制§ 软件控制马达使针尖逼近样品，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起形状，否那么探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢接近样品，直到进入隧道区为止§ 马达控制的操作方式为：“马达控制〞选择“进〞，点击“延续〞按钮进展延续逼近，当检测到的隧道电流到达一定数值后，计算时机进展警告提示，并自动停顿逼近，此时单击“单步〞按钮，直到“Z电压〞的数值接近零时停顿逼近，完成马达控制操作。

〔二〕〔二〕 离离线线数据分析数据分析§ 离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保管下来的图象数据的各种分析与处置任务常用的图象分析与处置功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等§ 平滑：平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况§ 滤波：滤波的根本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平因此，对于丈量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除§傅立叶变换：快速傅立叶变换对于研讨原子图象的周期性时很有效§图象反转：将图象进展黑白反转，会带来意想不到的视觉效果§数据统计：用统计学的方式对图象数据进展统计分析§三维生成：根据扫描所得的外表型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象§大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处置手段，最终得到本人称心的图象 六．丈量用六．丈量用样样品品§1．光．光栅样品品§ 理理想想的的光光栅外外表表形形貌貌如如图，，为1μmX1μm的的光光栅外外表表形形貌貌图运运用用扫描描隧隧道道显微微镜，，对于于这种种知知的的样品品，，很很容容易易测得得它它的的外外表表形形貌貌的的信信息息。

新新颖的的光光栅外外表表没没有有缺缺陷陷，，假假设在在丈丈量量过程程中中发生生了了撞撞针景景象象，，那那么么容容易易呵呵斥斥人人为的的光光栅外外表表的的物物理理损坏坏，，或或者者损坏坏扫描描针尖尖在在这种种情情况况下下往往往往很很难得得到到明明晰晰的的扫描描图象象此此时，，除除了了采采取取重重新新处置置针尖尖措措施施外外，，适适当当的的改改动一一下下样品品放放置置的的位置，位置，选择适当的区域适当的区域进展展扫描也是必要的描也是必要的2．石墨．石墨样样品品§ 当用扫描隧道显微镜扫描原子图象时，通常选用石墨作为规范样品石墨中原子陈列呈层状，而每一层中的原子那么呈周期陈列，外表形貌如右图由于石墨在空气中容易氧化，因此在丈量前应首先将外表一层揭开〔通常用粘胶带纸粘去外表层〕，显露石墨的新颖外表，再进展丈量由于此时要得到的是原子的陈列图象，而任何一个外界微小的扰动，都会呵斥严重的干扰因此，丈量原子必需在一个安静、平稳的环境中进展，对仪器的抗震及抗噪声才干的要求也较高3．未知．未知样样品品§经过对知样品的丈量，我们可以确定针尖制备的好坏，选择一个较好的针尖，对未知样品进展丈量。

经过对扫描所得的图象进展各种图象处置，来分析未知样品的外表形貌信息实验方法提示实验方法提示§(1) 将一短长约三厘米的铂铱合金丝放在丙酮中洗尽，取出后用经丙酮清洗的剪刀剪尖，在放入丙酮中洗几下〔在以后的实验中干万不要碰针尖！〕将探针后部略微弯曲，插入头部的金属管中固定，针尖显露头部约5毫米§(2) 将样品放在样品台上，应坚持良好的电接触将下部两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部悄然放在之加上〔要确保针尖与头部间有一段间隔〕，头部两边用弹簧扣住小心的调理螺旋测微头，在针尖与样品间距约为0．5mm处停住§(3) 运转STM任务软件，扫开控制箱，将“隧道电流〞置为0．5 nA，“针尖偏压〞置为50 mV，“积分〞置为5.0，点击“自动进＼ 至马达自动停顿金的扫描范围置为800－900 nm，光栅的是3000 nm左右开场扫描可点击“调色板顺应〞以便得到适宜的图像对比度，并调理扫描角度和速度，直到获得称心的图像为止§ 普通，察看到的金的外表由团簇组成，而光栅的外表普通比较平整，条纹刻痕较浅，在不同角度察看到的方向不同(4) 实验终了后，一定要 用“马达控制〞的“延续退〞操作 将针尖退回，然后再封锁实验系统。

5) STM仪器比较精致，而且价钱昂贵，操作过程中动作一定要轻，防止呵斥设备损坏图像处置： § (1) 平滑处置：将像素与周边像素做加权平均§ (2) 斜面校正：选择斜面的一个顶点，以该顶点为基点，现行添加该图像的一切像数值，可多次操作§(3) 中值滤波：§(4) 傅立叶变换：对图像的周期性很敏感，在做原子图像扫描时很有用课程安排 第一周：原理简介与上机模拟；课后作手资料定向查询并预备实验报告第二周：演示与学生实验：先用铁丝作探针练习，熟练后再用铂铱合金丝制造针指定样品〔光栅〕的丈量第三周：改动电压及扫描角度重新扫描，进展图像处置课后资料定向查询并完成实验报告 报告内容: 1. 心得、领会及建议； 2. STM在某个领域的运用或STM仪器的某部件的原理.第周围：宣讲实验报告，每人15分钟〔包括5分钟提问〕实验思索题：实验思索题：§1．扫描隧道显微镜的任务原理是什么？什么是量子隧道效应？§2．扫描隧道显微镜主要常用的有哪几种扫描方式？各有什么特点？§3．仪器中加在针尖与样品间的偏压是起什么作用的？针尖偏压的大小对实验结果有何影响？§4．实验中隧道电流设定的大小意味着什么？§在在扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜根根底底上上开开展起来的各种新型展起来的各种新型显显微微镜镜§ 在扫描隧道显微镜出现以后，又陆续开展了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜〔AFM〕、激光力显微镜〔LFM〕、磁力显微镜〔MFM〕、弹道电子发射显微镜〔BEEM〕、扫描离子电导显微镜〔SICM〕、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪〔STP〕等等。

这些新型的显微镜，都利用了反响回路控制探针在间隔样品外表1nm处或远离样品外表扫描〔或样品相对于探针扫描〕的任务方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得的有关外表的各种信息，对STM的功能有所补充和扩展1. 原子力原子力显显微微镜镜〔〔AFM〕〕§ 扫描隧道显微镜任务时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接察看导体和半导体的外表构造而在研讨非导电资料时必需在其外表覆盖一层导电膜导电膜的存在往往掩盖了样品的外表构造的细节为了弥补扫描隧道显微镜的 这 一 缺 乏 ， 1986年 Binnig、 Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜〔AFM〕§ 原子力显微镜是将一个对微弱力及敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品的外表悄然接触，由于针尖尖端原子与样品外表原子间存在及微弱的排斥力〔10-8—10-6 N〕，经过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品外表原子间作用力的等位面而在垂直于样品的外表方向起伏运动利用光学检测法和隧道电流检测法，可以测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品的外表形貌的信息右图为利用原子力显微镜得到的红血细胞形貌图。

2.激光力激光力显显微微镜镜〔〔LFM〕〕§ 激光力显微镜的探针是一根长半毫米的钨丝或硅探针，其尖端至少在50nm以下，在探针的底端装有一个压电能量转换器，将交流电转化为探针的振动，当探针的振动频率接近其共振频率时，由于探针的共振，对驱动信号起放大作用把这种受迫振动的探针调理到试样外表时〔2—20nm〕，探针与试样外表之间会产生微弱的吸引力，使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率的差距增大，探针的尖端振幅减小将这种振幅的变化用光学丈量法探测出来，据此可推出样品外表的起伏变化左图为硅外表各向异性刻蚀出的1μm宽V型槽的LFM象，放大部位面积为1μmX1μm3.磁力磁力显显微微镜镜〔〔MFM〕〕§ 磁力显微镜〔Magnetic Force Microscopy,MFM〕也是运用一种受迫振动的探针来扫描样品外表，所不同的是这种探针是沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探针当这一振动探针接近一块磁性样品时，探针尖端就会像一个条状磁铁的北极和南极那样，与样品中磁畴相互作用而感遭到磁力，并使其共振频率发生变化，从而改动其振幅这样检测探针尖端的运动，就可以进而得到样品外表的磁特性。

右图为运用MFM察看得到的磁光盘外表的磁数据位的磁构造〔凹坑伏〕4.静静电电力力显显微微镜镜〔〔EFM〕〕§ 在静电力显微镜中，针尖和样品起到一个平行的板极电容器中两块极板的作用当其在样品外表扫描时，其振动的振幅遭到样品中电荷产生的静电力的影响利用这一景象，就可以经过扫描时获得的静电力图象来研讨样品的外表信息左图为2.5μmX2.5μm的蓝宝石外表EFM图象，其中左面一幅图象用排斥力获得，右面一幅图用吸引的静电力获得5.弹弹道道电电子子发发射射显显微微术术〔〔BEEM〕〕§ 弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的根底上开展起来的，它所用的样品是由金属/半导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结当针尖被调理到接近异质结外表时经过真空隧道效应，针尖向金属/半导体发射弹道电子经过察看针尖扫描时各点的基极-搜集极电流Ic和Z电压Vz，可以直接得到外表下界面构造的三维图象和外表形貌右图为Au/GaAs(100)肖特基势垒构造的STM形貌象〔上〕和BEEM象〔下〕，二者是同时采集的6.扫扫描离子描离子电导显电导显微微镜镜〔〔SICM〕〕§ 扫描离子电导显微镜是由Hansma等人设计的一种用于生物学和电生理学研讨的微观探测仪器。

它是将一个充溢电解液的微型滴管当作探针，非导电样品放在一个电解液存储池底部，将滴管探针调理到样品外表附近，监测电解液电极和存储池中另一电极之间的电导变化当微型滴管接近外表时，允许离子流过的空间减少，离子电导也随之减小在滴管探针〔或样品〕横向扫描时，经过反响控制电路使探针〔或样品〕上下挪动以坚持电导守恒，那么探针运动的轨迹代表了样品的外表形貌7.扫扫描描热显热显微微镜镜§ 扫描热显微镜用于探测样品外表的热量散失，可测出样品外表温度在几十微米尺度上小于万分之一度的变化扫描热显微镜的探针是一根外表覆盖有镍层的钨丝，镍层与钨丝之间是绝缘体，在尖端二者相连，这一钨/镍接点起热电偶的作用探针稳定到样品外表后，向结点通直流电加热，针尖的温度稳定下来时要比周围环境温度高由于样品是固体，导热性能比空气好，所以当加热后的针尖向样品外表接近时，针尖的热量向样品流失使针尖的温度下降经过反响回路调理针尖与样品间距，从而控制恒温扫描，和获得样品外表起伏的情况右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞外表轮廓8.扫扫描隧道描隧道电电位位仪仪〔〔STP〕〕§ 扫描隧道电位仪〔Scanning Tunneling Potentionmetry,STP〕是用于研讨电子经过凝聚态物质时的迁移。

它可以同时外表形貌的电势分布，因此可以用来研讨经过颗粒构造、缺陷和界面的电导扫描隧道电位仪是在扫描隧道显微镜的样品外表又加了一个电极，样品与针尖之间加一交流电压，反响系统利用这一交流电压产生的交流隧道电流来控制在扫描时隧道间隙的恒定9.光子光子扫扫描隧道描隧道显显微微镜镜〔〔PSTM〕〕§ 光子扫描隧道显微镜〔Photon Scanning Tunneling Microscope,PSTM〕是用光学探针探测样品外表附近被内全反射光所鼓励的瞬衰场，从而获得外表构造的信息，即它是利用光子的隧道效应10.扫扫描近描近场场光学光学显显微微镜镜〔〔SNONM〕〕§扫描近场光学显微镜〔Scanning Near-Field Optical Microscope,SNOM〕 ,运用一个孔阑限制的光纤探针去探测样品附近的辐射将光探针以恒高方式在样品外表扫描，可以得到光的显微图象假设用电子反响线路调理探针的高度来坚持光强的恒定，那么得到样品外表的形貌THANK YOU !。