什么是掃描探針顯微鏡 (SPM)？

掃描探針顯微鏡（SPM）是一種使用針尖探針觀察納米尺度表面不規(guī)則性的顯微鏡。

常在高真空下使用，以清潔樣品表面，但也可在空氣中使用。最近，還開(kāi)發(fā)出了可用于液體的產(chǎn)品。

掃描探針顯微鏡有許多不同類型，包括掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）。 STM能夠捕獲單個(gè)原子，其發(fā)明者因?qū){米結(jié)構(gòu)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步做出的巨大貢獻(xiàn)而榮獲1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

掃描探針顯微鏡 (SPM) 的應(yīng)用

掃描探針顯微鏡可以觀察納米量級(jí)的極精細(xì)表面，因此用于觀察半導(dǎo)體、玻璃、液晶等的表面狀況和測(cè)量粗糙度。

具體觀察對(duì)象包括硅單晶的原子排列和有機(jī)化合物的苯基。還可以觀察和操作微生物、細(xì)菌和生物膜等生物樣品的 DNA。

掃描探針顯微鏡是20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的新型顯微鏡，但原子級(jí)觀察技術(shù)的發(fā)展令人矚目，可以測(cè)量摩擦力、粘彈性和表面電位的模型也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大迅速。液體測(cè)量還應(yīng)用于電化學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域，使得測(cè)量更接近實(shí)際環(huán)境的條件成為可能。

掃描探針顯微鏡（SPM）原理

我們將解釋掃描探針顯微鏡中常用的 AFM 和 STM 的原理。通過(guò)用細(xì)針狀探針的尖 掃描樣品表面來(lái)獲取圖像和位置信息。由于探頭較細(xì)并且在原子水平上進(jìn)行掃描，因此不適合測(cè)量不規(guī)則性較大的樣品。

1. 掃描隧道顯微鏡（STM）

STM 利用了這樣一個(gè)事實(shí)：從金屬探針 向樣品發(fā)射的隧道電流的強(qiáng)度敏感地取決于它們之間稱為真空的絕緣體的厚度。可以以高分辨率精確測(cè)量樣品表面的局部高度，從而可以單獨(dú)解析材料表面上的原子（彼此相鄰的兩點(diǎn)之間的最短距離）。此外，通過(guò)用探針掃描樣品表面，可以觀察原子尺度上的不均勻圖案。

探頭由鎢或鉑制成，帶有尖頭。當(dāng)探針和樣品足夠接近，兩個(gè)電子云重疊，并施加微小的偏置電壓（用于確定放大器小信號(hào)放大的直流電工作點(diǎn)的電壓）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隧道電流達(dá)到隧道效應(yīng)。

在STM中，金屬探針在樣品表面水平（X、Y）移動(dòng)，并且反饋控制探針與樣品之間的距離（Z）以保持隧道電流恒定。通常，單個(gè)原子之間的相互作用是通過(guò)使用壓電元件的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)的，壓電元件的距離可以以小于單個(gè)原子尺寸的精度控制。因此，STM在三個(gè)維度上具有原子分辨率。壓電元件是利用壓電效應(yīng)的無(wú)源元件，當(dāng)施加壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。

2. 原子力顯微鏡（AFM）

AFM 測(cè)量探針和樣品表面之間的微小原子力（非化學(xué)鍵合的原子之間作用的弱內(nèi)聚力）的差異，并通過(guò)掃描觀察表面。它具有廣泛的用途，因?yàn)樗梢杂脕?lái)觀察絕緣體和生物樣品，無(wú)論它們是有機(jī)的還是無(wú)機(jī)的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種應(yīng)用 AFM 技術(shù)來(lái)測(cè)量摩擦力、粘彈性、介電常數(shù)和表面電位的模型。

使用微小的力使連接到懸臂 的探針與樣品表面接觸。探頭和樣品之間的距離 (Z) 受到反饋控制，以保持作用在懸臂上的力（偏轉(zhuǎn)）恒定，同時(shí)水平掃描 (X、Y) 以對(duì)表面形狀進(jìn)行成像。