顯微鏡的STM原理與AFM工作原理

顯微鏡的STM原理與AFM工作原理

STM概述

1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事們共同研制成功了世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡(jiǎn)稱STM)。STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)，研究與表面電子行為有關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究中具有重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

STM是繼高分辨透射電子顯微鏡，場(chǎng)離子顯微鏡之后，第三種在原子尺度觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微鏡，其分辨率在水平方向可達(dá)0.1nm，垂直方向可達(dá)0.01nm，它的出現(xiàn)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的一個(gè)最重大的轉(zhuǎn)折，甚至可以標(biāo)志著納米技術(shù)研究的正式起步，這是因?yàn)镾TM具有原子和納米尺度的分析和加工的能力。使用STM，在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，可用于研究原子之間的微小結(jié)合能，制造人造分子；在生物學(xué)領(lǐng)域，可用于研究生物細(xì)胞和染色體內(nèi)的單個(gè)蛋白質(zhì)和DNA分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子切割和組裝手術(shù)；在材料學(xué)領(lǐng)域，可以用于分析材料的晶格和原子結(jié)構(gòu)，考察晶體中原子尺度上的缺陷；在微電子領(lǐng)域，則可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。

STM的工作原理

STM是利用量子隧道效應(yīng)工作的。若以金屬針尖為一電極，被測(cè)固體樣品為另一電極，當(dāng)他們之間的距離小到1nm左右時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)隧道效應(yīng)，電子從一個(gè)電極穿過(guò)空間勢(shì)壘到達(dá)另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓；k：常數(shù)，約等于1，Φ1/2：平均功函數(shù)，S：距離。

從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負(fù)指數(shù)關(guān)系。對(duì)于間距的變化非常敏感。因此，當(dāng)針尖在被測(cè)樣品表面做平面掃描時(shí)，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會(huì)導(dǎo)致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數(shù)量級(jí)的變化。這樣就可以通過(guò)測(cè)量電流的變化來(lái)反應(yīng)表面上原子尺度的起伏，如下圖右邊所示。這就是STM的基本工作原理，這種運(yùn)行模式稱為恒高模式（保持針尖高度恒定）。

STM還有另外一種工作模式，稱為恒流模式，如下圖左邊。此時(shí)，針尖掃描過(guò)程中，通過(guò)電子反饋回路保持隧道電流不變。為維持恒定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)，從而記錄下針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。

恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式僅適于對(duì)表面起伏不大的樣品進(jìn)行成像。當(dāng)樣品表面起伏較大時(shí)，由于針尖離樣品表面非常近，采用恒高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導(dǎo)致針尖與樣品表面的破壞。

STM原理圖

AFM的工作原理

　　AFM的基本原理與STM類似，在AFM中，使用對(duì)微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對(duì)樣品表面作光柵式掃描。當(dāng)針尖和樣品表面的距離非常接近時(shí)，針尖尖端的原子與樣品表面的原子之間存在極微弱的作用力（10-12~10-6N），此時(shí)，微懸臂就會(huì)發(fā)生微小的彈性形變。針尖與樣品之間的力F與微懸臂的形變之間遵循虎克定律：F=-k*x，其中，k為微懸臂的力常數(shù)。所以，只要測(cè)出微懸臂形變量的大小，就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小。針尖與樣品之間的作用力與距離有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，所以在掃描過(guò)程中利用反饋回路保持針尖與樣品之間的作用力恒定，即保持為懸臂的形變量不變，針尖就會(huì)隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)，記錄針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡即可得到樣品表面形貌的信息。這種工作模式被稱為“恒力”模式（ConstantForceMode），是使用最廣泛的掃描方式。
　　AFM的圖像也可以使用“恒高”模式（ConstantHeightMode）來(lái)獲得，也就是在X，Y掃描過(guò)程中，不使用反饋回路，保持針尖與樣品之間的距離恒定，通過(guò)測(cè)量微懸臂Z方向的形變量來(lái)成像。這種方式不使用反饋回路，可以采用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時(shí)用得比較多，而對(duì)于表面起伏比較大的樣品不適用。

原子力顯微鏡工作原理圖

　　AFM有多種操作模式，常用的有以下4種：接觸模式（ContactMode）、非接觸（Non-ContactMode）、輕敲模式(TappingMode)、側(cè)向力(LateralForceMode)模式。根據(jù)樣品表面不同的結(jié)構(gòu)特征和材料的特性以及不同的研究需要，選擇合適的操作模式。

AFM三種操作模式的比較

接觸模式

　　在接觸模式中，針尖始終與樣品保持輕微接觸，以恒高或恒力的模式進(jìn)行掃描。掃描過(guò)程中，針尖在樣品表面滑動(dòng)。通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、高分辨率的圖像。
　　在接觸模式中，如果掃描軟樣品的時(shí)候，樣品表面由于和針尖直接接觸，有可能造成樣品的損傷。如果為了保護(hù)樣品，在掃描過(guò)程中將樣品和針尖之間的作用力減弱的話，圖像可能會(huì)發(fā)生扭曲或得到偽像。同時(shí)，表面的毛細(xì)作用也會(huì)降低分辨率。所以接觸模式一般不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動(dòng)和變形的樣品。

非接觸模式

　　在非接觸模式中，針尖在樣品表面上方振動(dòng)，始終不與樣品接觸，探針監(jiān)測(cè)器檢測(cè)的是范德華力和靜電力等對(duì)成像樣品的無(wú)破壞的長(zhǎng)程作用力。這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖與樣品之間的距離較長(zhǎng)時(shí)，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低，而且成像不穩(wěn)定，操作相對(duì)困難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也比較少。

輕敲模式

　　在輕敲模式，微懸臂在其共振頻率附近作受迫振動(dòng)，振蕩的針尖輕輕的敲擊樣品表面，間斷的和樣品接觸，所以又稱為間歇接觸模式。由于輕敲模式能夠避免針尖粘附到樣品上，以及在掃描過(guò)程中對(duì)樣品幾乎沒(méi)有損壞。輕敲模式的針尖在接觸表面時(shí)，可以通過(guò)提供針尖足夠的振幅來(lái)克服針尖和樣品間的粘附力。同時(shí)，由于作用力是垂直的，表面材料受橫向摩擦力、壓縮力和剪切力的影響較小。輕敲模式同非接觸模式相比較的另一優(yōu)點(diǎn)是大而且線性的工作范圍，使得垂直反饋系統(tǒng)高度穩(wěn)定，可重復(fù)進(jìn)行樣品測(cè)量。
　　輕敲模式AFM在大氣和液體環(huán)境下都可以實(shí)現(xiàn)。在大氣環(huán)境中，當(dāng)針尖與樣品不接觸時(shí)，微懸臂以最大振幅自由振蕩；當(dāng)針尖與樣品表面接觸時(shí)，盡管壓電陶瓷片以同樣的能量激發(fā)微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小，反饋系統(tǒng)控制微懸臂的振幅恒定，針尖就跟隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)獲得形貌信息。輕敲模式同樣適合在液體中操作，而且由于液體的阻尼作用，針尖與樣品的剪切力更小，對(duì)樣品的損傷也更小，所以在液體中的輕敲模式成像可以對(duì)活性生物樣品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、對(duì)溶液反應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤等。

側(cè)向力模式

　　橫向力顯微鏡（LFM）工作原理與接觸模式的原子力顯微鏡相似。當(dāng)微懸臂在樣品上方掃描時(shí)，由于針尖與樣品表面的相互作用，導(dǎo)致懸臂擺動(dòng)，其形變的方向大致有兩個(gè)：垂直與水平方向。一般來(lái)說(shuō)，激光位置探測(cè)器所探測(cè)到的垂直方向的變化，反映的是樣品表面的形態(tài)，而在水平方向上所探測(cè)到的信號(hào)的變化，由于物質(zhì)表面材料特性的不同，其摩擦系數(shù)也不同，所以在掃描的過(guò)程中，導(dǎo)致微懸臂左右扭曲的程度也不同。微懸臂的扭轉(zhuǎn)彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減（增加摩擦力導(dǎo)致更大的扭轉(zhuǎn)）。激光檢測(cè)器可以實(shí)時(shí)分別測(cè)量并記錄形貌和橫向力數(shù)據(jù)。通常不僅樣品表面組分不同可以導(dǎo)致微懸臂扭曲，樣品表面形貌的變化也會(huì)導(dǎo)致微懸臂的扭曲，如下圖所示。為了區(qū)分這二者，通常LFM圖像和AFM圖像應(yīng)該同時(shí)獲得。根據(jù)導(dǎo)致微懸臂扭曲的原因不同，通?？梢岳肔FM獲得物質(zhì)表面的組分構(gòu)成像和“邊緣增強(qiáng)像”。

側(cè)向力模式