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掃描探針顯微鏡(SPM)及相關(guān)類(lèi)別

 更新時(shí)間:2024-08-02 點(diǎn)擊量:676

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(lèi)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,但原子水平的觀察技術(shù)的發(fā)展已是令人矚目的,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)用廣泛迅速擴(kuò)張。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 掃描樣品表面來(lái)獲取圖像和位置信息。探頭較細(xì)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??梢砸愿叻直媛示_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),探針和樣品之間的距離 (Z) 受到反饋控制,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。壓電元件是一種利用壓電效應(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。它具有廣泛的應(yīng)用范圍,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。對(duì)探頭和樣品之間的距離(Z)進(jìn)行反饋控制,以使作用在懸臂上的力(偏轉(zhuǎn)量)保持恒定,并通過(guò)水平(X,Y)掃描對(duì)表面形狀進(jìn)行成像。

有關(guān)掃描探針顯微鏡 (SPM) 的其他信息

探頭類(lèi)型

AFM和SPM是掃描探針顯微鏡的典型例子,都使用探針,但類(lèi)型不同。此外,AFM 的類(lèi)型很多,包括材料和長(zhǎng)度,因此選擇一種與待測(cè)物體相匹配的類(lèi)型非常重要。

AFM除了原理中解釋的接觸模式外,還有敲擊模式,該模式用于測(cè)量易碎有機(jī)樣品時(shí),并使用專用探頭。請(qǐng)注意,探頭是消耗品,必須自行更換。


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