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1、扫描探针显微镜(SPM)及其应用本原纳米仪器有限公司E-mail：扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes, SPM）本原本原CSPM-2000系列扫描探针显微镜系列扫描探针显微镜集成了扫描隧道显微镜集成了扫描隧道显微镜(STM)(STM)、原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM)和横向力显微镜和横向力显微镜(LFM)(LFM) 技术指标技术指标 分辨率分辨率: : 0.1nm量级量级(原子级分辨率原子级分辨率) 最大扫描范围最大扫描范围: : 100um X 100um中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二
2、号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250基本原理中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250利用压电材料，将电压转变为位移，控制探针在纳米级的距离上对被测样品的表面进行扫描，同时记录扫描过程中探针和样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。极高的可控空间定位精度(优于0.1nm量级) SPM 的技术核心:极高的分辨率(可达原子级分辨)极
3、高的操纵和加工精度(可实现单原子操纵) SPM不但是纳米科技的锐利眼睛眼睛，而且是纳米科技的灵巧手指手指! !中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250SPM技术 经过20年的发展，迄今SPM家族已经包
4、括了20多种仪器，并且一直还在发展之中。 名称名称检测信号信号分辨率分辨率备注注扫描探针显微镜(SPM)扫描隧道显微镜(STM)探针-样品间的隧道电流0.1nm量级(原子级分辨率)原子力显微镜（AFM） 探针-样品间的原子作用力统称为扫描力显微镜(SFM)横向力显微镜（LFM）探针-样品间相对运动横向作用力磁力显微镜（MFM）磁性探针-磁性样品间的磁力10nm量级静电力显微镜（EFM）带电荷探针-带电荷样品间静电力1nm量级近场光学显微镜(SNOM)光探针接收到样品近场的光辐射10-100nm量级 SPM应用于各学科研究时所遇到的各种现象和问题及其解决，推动着新的SPM仪器的发明和完善，而且，
5、SPM技术与其他技术的结合，产生了许多新技术和新发现。 扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)STM控制探针在样品表面进行扫描,通过检测扫描过程中探针和样品表面局域间的隧道电流得到样品表面的信息AFM控制探针在样品表面进行扫描,通过检测扫描过程中探针和样品表面局域间的作用力得到样品表面的信息中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈
6、中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250二种最常用的SPM技术 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
7、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具有纳米操纵和纳米加工功能，可对样品交替进行表面原位检测和修饰等此外，在技术本身，SPM具有的设备相对简单、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SPM的独特优点中科院化
8、学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250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图1. 扫描探针显微镜(SPM)与其他 显微镜技术的分辨本领范围比较HM:高分辨光学显微镜； PCM:相反差显微镜；(S)TEM:(扫描)透射电子显微镜；FIM:场离子显微镜； REM:反射电子显微镜中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62
9、615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250扫描探针显微镜与其他显微镜技术性能指标比较中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250扫描探针显微镜的些局限性由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制，检测效率较其他显微技术低由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（目前难以突破100um量级），而机械调节精度由无法与之衔接，故不能做到
10、象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级，扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围，则会导致系统无法正常工作甚至损坏探针。因此，扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此，探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成象的失真（采用探针重建可以部分克服） SPM 的应用:石墨晶体的STM原子象白春礼,科学通报,34(5),399(1989)Chunli Bai,Chinese
11、Science Bulletin,34(15),1318(1989)本原仪器结果云母的AFM象吴浚瀚,白春礼等, 科学通报, 38(10),790(1993)Junhan Wu, Chunli Bai, et. al.,Chinese Science Bulletin, 38(19),1621(1993)本原仪器结果AFM image of Porous Alumina MembranesYu-Guo Guo, Li-Jun Wan, Jian-Ru Gong, Chun-Li Bai, Phys.Chem.Chem.Phys., 2002, 4, 3422-2424. 本原仪器结果中科院化学
12、所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250DNA的三链结构STM Images of DNA 白春礼, 叶坚等, 科学通报，35（24），1841（1990）C.Bai, J.Ye, et al
13、., Chinese Science Bulletin, 36(4),345(1991)本原仪器结果 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250 pBR322 DNA的AFM象 张平城, 白春礼等, 中国科学（B辑）, 25（7）, 716(1995)本原仪器结果 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)6261
14、5063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250烟草花叶病毒(MTV)的AFM象张平城, 白春礼, 成英俊, 吴浚瀚等, 动物学研究, 14,38(1993)Pingcheng Zhang, Chunli Bai, Junhan Wu et al., The 3rd National Symposium on STM/STS, Beijing, China, February, 16-17(1993),P.42本原仪器结果黝锡矿黝锡矿(110)解理面的解理面的STM象象廖立兵, 施倪承, 马哲生等, 科学通报, 37(21),1986(1992)
15、Liao Libing, Shi Nicheng, Ma Zhesheng et al., Chinese Science Bulletin, 38(5), 404(1993)本原仪器结果辉钼矿辉钼矿(0001)面的面的STM象象廖立兵, 施倪承, 马哲生等, 科学通报，36（8），606（1991）Liao Libing, Shi Nicheng, Ma Zhesheng et al., Chinese Science Bulletin, 36(23), 1989(1991)本原仪器结果 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一
16、街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250自然金（自然金（110）面的）面的STM象象廖立兵,马晓霞,马哲生等,矿物岩石,15（2）1（1995） 廖立兵,马晓霞,马哲生等,地球科学-中国地质大学学报, 2(1),37(1997)本原仪器结果a.铁质宇宙尘亚微米尺度的STM象 b.宁波铁陨石线切割碎片纳米尺度的STM象周瑶琪，柴之芳，徐英庭等，岩矿测试，15（1），1（1996）本原仪器结果中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)
17、62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250 SPM 的应用: SPM 的应用:Xenon atoms on the Ni(111) surface.(Each letter is 5nm from top to bottom)Eigler,D.M.,Schweizer,E.K., Nature,1990,344,524.中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)376182
18、50 SPM 的应用:在在 Si(111)表表面面进进行行的的原原子子操操纵纵和和纳纳米米加加工工, 组组成成“中中国国”字字 样样 。线线宽宽为为1.0纳纳米米。字字的的大大小小约约30nm见方见方（中中科科院院物物理理所所北北京京真真空空物物理理开开放放实实验验室室提提供供）。中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中
19、关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250在Si(111)表面利用AFM进行纳米加工(场致氧化刻蚀) 本原仪器结果电压 7500mV脉冲宽度 3ms SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250在Si(111)上以氧化法进行纳米加工宫建茹,万立骏,白春礼, 大学化学, 1(7),14(2003).本原仪器结果
20、 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250浸笔印刷术(DPN)在金基底上二硫醇的摩擦力图像宫建茹,万立骏,白春礼, 大学化学, 1(7),14(2003).本原仪器结果 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)3761825
21、0超高密度数据存储存储密度为1013bits/cm2., 是当今传统技术所得到的存储密度(108bits/cm2)的一百万倍。The data storage on NBMN-pDA thin films.Gao et al., Phys.Rev.Lett., 84(2000), 1780本原仪器结果 SPM 的应用:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250By applying negative voltage p
22、ulses(-4.5V/50us), on the STM tip,the recorded marks were successfully erased.Gao et al., Phys.Rev.Lett., 84(2000), 1780本原仪器结果上述结果被上述结果被APS评选当时评选当时“最值得读的一篇文章最值得读的一篇文章(physical review focus)”，并称其为并称其为“奔向下一代的奔向下一代的CD (toward the next generation CD)”. SPM 的应用:Science杂志副刊杂志副刊Science News对此进行了专题报道对此进行了专题
23、报道,美国能源部美国能源部称此项成果称此项成果 “可将美国国会图书馆存放在一张光盘上可将美国国会图书馆存放在一张光盘上”.中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250 SPM 的应用总结:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250方便有效的表面成
24、像工具SPM的诞生使人类第一次从真正意义上看见原子。二十年来，随着SPM家族的不断庞大以及新的检测技术不断出现，SPM成为从纳米到微米多方位获取材料表面信息的有力手段。其中包括：用于表面实形貌成像的STM、AFM以及SNOM；用于表面电流密度像和扫描隧道谱的STM和电流检测AFM；用于表面电场分布状况测绘的EFM；用于表面微区磁筹分布测绘的MFM等。微区表面化学物理的崭新方法基于探针悬臂弹性力测量基础上的AFM微测试方式，使纳米尺度上两个不同表面的局域之间的作用力研究变得非常方便。将原子力显微镜的探针尖端利用化学修饰的方法固定上某些特殊基团，利用探针与样品之间作用力对识别基团的的敏感性,使得材
25、料表面官能团识别成为可能,并由此派生出一门“细致入纳”的学科“探针化学”。样品的表面上有什么样的分子？如何去识别它们？它们之间的相互作用状况是怎样？在微观尺度上这些分子是否表现出宏观的化学物理特性？在纳米尺度上研究许多使科学家感兴趣的问题在AFM发明之后成为可能。 SPM 的应用总结:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250超高密度信息存储的极有前景的方法科学家将SPM这一纳米尺度加工和检测工具用于写-读-擦超高密度
26、信息存储研究,以求突破传统方法在存储密度上的极限。通过在特殊构筑的基片上施加负载特定信号的电脉冲，或者在隧道电流激励下，使用近场光等其它方法，改变存储介质化学物理性质，从而实现信号的可读取记录。尽管读写速度和寻找合适的记录介质一直是制约SPM信息存储发展的瓶颈，SPM仍然被认为是极有前途的超高密度信息记录方式。 SPM 的应用总结:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250研究低维量子器件和纳米电子学的试验工具低维量子
27、器件的构筑及单电子现象的研究开辟了SPM的另两个极为重要的应用方向基于SPM的刻蚀技术以及SPM系统为手段进行的单电子现象研究和器件构筑。SPM刻蚀：利用STM或AFM的探针，在探针和样品之间施加足够的作用力，或者在探针和基底之间施加一定的电脉冲，均可以使基底的表面形貌或内部电子结构发生改变。根据施加作用方式的不同，SPM刻蚀又分为：机械刻蚀、场致氧化刻蚀、电化学刻蚀、场蒸发刻蚀、热蒸发刻蚀等。SPM刻蚀技术为纳米电子学研究提供了丰富的模型结构，例如栅漏电极加工、光开关器件的加工、量子点和量子线的加工等。SPM刻蚀技术是低维量子器件研究的得力工具。单电子现象和纳米电子学研究：STM或导电AFM作为一种在纳米尺度上获得nA甚至pA以下电流信号的试验工具，被应用于研究库仑阻塞效应、库仑台阶效应等材料的纳电子学特性。在纳电子学兴起的过程中，扫描探针显微镜起了举足轻重的作用。 SPM 的应用总结:中科院化学所本原纳米仪器公司 http:/ E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250
