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扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope, SPM)  

2012-04-21 10:01:35|  分类: 近代物理分析技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,以下简称SPM)

自从1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后,几十年来,有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场电子显微镜(FEM )、场离子显微镜(FIM)、低能电子衍射(LEED)、俄歇谱仪(AES)、光电子能谱(ESCA)、电子探针等。这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要的作用。但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性,例如,LEED及X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期性结构,光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨出表面原子,高分辨TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究,FEM和FIM只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质,且制样技术复杂,可用来作为样品的研究十分有限;还有一些表面分析技术,如X射线光电子能谱(ELS)等只能提供空间平均的电子结构信息;有的技术只能获得间接结果,还需要用试差模型来拟合。此外,上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求,例如真空条件等。

1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,以下简称STM)。它的出现,使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景,被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。

在STM出现以后,又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术,包括原子力显微镜(Atomic Force Microscope,以下简称AFM)、横向力显微镜(Lateral Force Microscope,以下简称LFM)等,这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,以下简称SPM)。

与其它表面分析技术相比,SPM所具有的独特优点可归纳为以下五条:

1、原子级高分辨率。如STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm,即可以分辨出单个原子,具有原子级的分辨率。

2、可实时地得到实空间中表面的三维图像,可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

3、可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置,以及由吸附体引起的表面重构等。

4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作,甚至可将样品浸在水和其它溶液中,不需要特别的制样技术,并且探测过程对样品无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价,例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

5、配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面结构的信息,例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

如果将应用范围较接近于SPM的电子显微镜、场离子显微镜与其作一简略比较(见表1),就可对STM仪器的特点及优越性有一清晰的认识。

表1. 扫描探针显微镜(SPM)与其他显微镜技术的各项性能指标比较

分辨率 工作环境 样品环境 温度 对样品破坏程度 检测深度

扫描探针显微镜(SPM)原子级(0.1nm) 实环境、大气、溶液、真空 室温或低温 无 100μm量级

透射电镜(TEM)点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm) 高真空 室温 小 接近SEM,但实际上为样品厚度所限,一般小于100nm.

扫描电镜(SEM) 6~10nm 高真空 室温 小 10mm (10倍时)1μm (10000倍时)

场离子显微镜(FIM) 原子级 超高真空 30~80K 有 原子厚度

此外,在技术本身,SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点,同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉,因此,SPM技术一经发明,就带动纳米科技快速发展,并在很短的时间内得到广泛应用。
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