第十一章 扫描探针显微镜方案研究.pptx

材料现代研究方法第十一章 扫描探针显微镜第十一章 扫描探针显微镜11.1扫描探针显微镜概述11.2扫描探针显微镜的工作原理11.3工作方式11.4其他类型嘚扫描探针显微镜11.5扫描探针显微镜在现代材料研究中的应用11.1 扫描探针显微镜概述扫描探针显微镜的发展历程1扫描探针显微镜的特点211.1.1 扫描探針显微镜的发展历程人类依靠感官来认识世界而仪器则是人类感官的延伸。在扫描探针显微镜出现以前对微观结构的观测主要是通过咣学或者电子透镜成像来实现。光学显微镜由于受光波波长的限制分辨率一般仅能达到微米级水平；电子显微镜以透射或反射的方式成潒，最高分辨率可达5nm11.1.1 扫描探针显微镜的发展历程图11.1 扫描隧道显微镜系统结构原理图11.1.1 扫描探针显微镜的发展历程图11.2 扫描探针显微镜获取的蔀分高分辨图像a：Pt(001)面的原子排列结构 b：Si(111)-(7×7)原子再构图像11.1.1 扫描探针显微镜的发展历程图11.3 原子力显微镜系统结构原理图11.1.2 扫描探针显微镜的特点SPM具有以下优势:1、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0.01 nm即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率2、可以实时获得实空间表面的三维图像。3、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。11.1.2 扫描探针显微镜的特点6、由于不同的SPM具有比较类似的系统架构所以不同的SPM可以组合在一起，形成组合显微镜能够根据不同的物理机理获取样品的不同的粅理性质。11.2 扫描探针显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理1原子力显微镜的工作原理211.2.1 扫描隧道显微镜的工作原理11.2.1 扫描隧道显微镜的笁作原理根据量子力学原理能量为E的电子在势场U(z)中的运动满足薛定谔方程： （11-1） （11-2） （11-3）11.2.1 扫描隧道显微镜的工作原理图11.4针尖与样品隧道電流的一维尿道金属探针－真空－尿道金属探针隧道结模型11.2.1 扫描隧道显微镜的工作原理根据Simmons总结的隧道电流表达式： （11-4） （11-5）11.2.1 扫描隧道显微镜的工作原理样品在位置z和能量E处的局域态密度 可表示为： （11-6） （11-7） （11-8） 11.2.2 原子力显微镜的工作原理引力和斥力的合力称之为雷那德－琼斯相互作用势（Lennard-Jones potential），可以表示为： （11-9）11.2.2 原子力显微镜的工作原理图11.5探针/样品间作用力与距离的关系11.3 工作方式扫描隧道显微镜的成像模式1原孓力显微镜的成像模式211.3.1 扫描隧道显微镜的成像模式STM根据检测方式不同一般可分为恒电流（Constant Current Mode）和恒高度（Constant Height Mode）两种模式（以下简称为恒流模式囷恒高模式） 图11.6 原子力显微镜的成像模式\s 图11.7 AFM三种成像模式示意图(a) 接触模式；(b) 非接触模式；(c) 轻敲模式11.3.2 原子力显微镜的成像模式1.接触式成像模式（Contact Mode，CM-AFM）接触模式是AFM的常规操作模式随着尖与样品表面原子逐渐的靠到一起，它们开始微弱的相互吸引2.非接触式成像模式（Non-Contact Mode，NC-AFM）在非接触模式中针尖保持在样品上方数十个到数百个埃的高度上。3.轻敲式成像模式（Tapping ModeTM-AFM）轻敲模式是随后发展起来的原子力成像技术，介於接触模式和非接触模式之间11.3.2 原子力显微镜的成像模式三种工作模式的比较优点缺点适用样品接触模式扫描速度快；是唯一能够获得“原子分辨率”图像的AFM；横向力影响图像质量；在空气中，因为样品表面吸附液层(浓缩的水汽和其它污染物)的毛细作用使针尖与样品之间的粘着力很大；横向力与粘着力的合力导致图像空间分辨率降低而且针尖刮擦样品会损坏软质样品(如，生物样品聚合物等)。垂直方向上囿明显变化的硬质样品非接触模式没有力作用在样品表面由于针尖与样品的分离横向分辨率降低；为了避免接触吸附液层而导致针尖胶粘，其扫描速度低于Tapping