在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型显微镜

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1、在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型显微镜在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型显微镜在扫描隧道显微镜出现以后，又陆续发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，都利用了反馈回路控制探针在距离样品表面 1nm 处或远离样品表面扫 描（或样品相对于探针扫描）的工作方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得的有关表面 的各种信息，对 STM 的功能有所补充和扩展。n 原子力显微镜（AFM）扫描

2、隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体 和半导体的表面结构。而在研究非导电材料时必须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存 在往往掩盖了样品的表面结构的细节。为了弥补扫描隧道显微镜的这一不足，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 与样品的表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在及微弱的排斥力（10-810-6 N） ，通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表面 原子间作用力的等位面而在垂直于样

3、品的表面方向起伏运动。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表面形貌的信 息。 n 激光力显微镜（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节到试 样表面时（220nm） ，探针与试样表面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测量法 探测出来，据此可推出样品表

4、面的起伏变化。左图为硅表面各向异性刻蚀出的 1m 宽 V 型槽的 LFM 象，放大部位面积为 1mX1m。n 磁力显微镜（MFM）磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy,MFM）也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品 表面，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 互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而改变其振幅。这样检测探针尖端的 运动，就可以进而得到样品表面的磁特性。 n 静电力显微镜（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

5、两块极板的作用。当其在样 品表面扫描时，其振动的振幅受到样品中电荷产生的静电力的影响。利用这一现象，就可 以通过扫描时获得的静电力图象来研究样品的表面信息。 n 弹道电子发射显微术（BEEM）弹道电子发射显微镜是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的，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。当针尖被调节到接近异质结表面时通过真 空隧道效应，针尖向金属/半导体发射弹道电子。通过观察针尖扫描时各点的基极-收集极 电流 Ic 和 Z 电压 Vz，可以直接得到表面下界面结构的三维图象和表面形貌。 n 扫描离子电导显微镜（SICM）扫描离子电导显微镜是由 Hansma 等人设计

6、的一种用于生物学和电生理学研究的微观探测 仪器。它是将一个充满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，将滴管探针调节到样品表面附近，监测电解液电极和存储池中另一电极之间的电导变 化。当微型滴管接近表面时，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，通过反馈控制电路使探针（或样品）上下移动以保持电导守恒， 则探针运动的轨迹代表了样品的表面形貌。n 扫描热显微镜扫描热显微镜用于探测样品表面的热量散失，可测出样品表面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表面覆盖有镍层的钨丝，镍层与钨丝之间 是绝缘体，在尖端二者相

7、连，这一钨/镍接点起热电偶的作用。探针稳定到样品表面后，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表面靠近时，针尖的热量向样品流失使针尖的 温度下降。通过反馈回路调节针尖与样品间距，从而控制恒温扫描，和获得样品表面起伏 的状况。右图为用扫描热显微镜获得的在玻璃基底上的红细胞表面轮廓。n 扫描隧道电位仪（STP）扫描隧道电位仪（Scanning Tunneling Potentionmetry,STP）是用于研究电子通过凝聚态物质 时的迁移。它可以同时表面形貌的电势分布，因而可以用来研究通过颗粒结构、缺陷和界 面的电

8、导。扫描隧道电位仪是在扫描隧道显微镜的样品表面又加了一个电极，样品与针尖 之间加一交流电压，反馈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。n 光子扫描隧道显微镜（PSTM）光子扫描隧道显微镜（Photon Scanning Tunneling Microscope,PSTM）是用光学探针探测样 品表面附近被内全反射光所激励的瞬衰场，从而获得表面结构的信息，即它是利用光子的 隧道效应。n 扫描近场光学显微镜（SNONM）扫描近场光学显微镜（Scanning Near-Field Optical Microscope,SNOM） ,使用一个孔阑限制 的光纤探针去探测样品附近的辐射。将光探针以恒高模式在样品表面扫描，可以得到光的 显微图象。如果用电子反馈线路调节探针的高度来保持光强的恒定，则得到样品表面的形 貌。