什么是扫描探针显微镜（SPM）？

扫描探针显微镜（SPM）基础知识 📔

什么是扫描探针显微镜（SPM）？

扫描探针显微镜（SPM）是一种能够利用针头等锋利探针在纳米尺度上观察样品表面不均匀的显微镜。

它常在高真空下用于净化样品表面，但也可以在大气中使用。 最近，已经开发出一些可以液态使用的产品。

扫描探针显微镜有多种类型，包括扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。 STM被认为对纳米结构科学和技术的发展做出了重要贡献，能够逐个捕捉每个原子，发明者于1986年获得诺贝尔物理学奖。

扫描探针显微镜（SPM）的应用

扫描探针显微镜可以观测纳米级的表面，因此对于观察表面状况以及测量半导体、玻璃、液晶等的粗糙度非常有用。

具体观察包括有机化合物中硅单晶和苯基的原子序列。 此外，还可以观察和操作微生物、细菌和生物膜等生物样本的DNA。

扫描探针显微镜是20世纪80年代开发的一种新型显微镜，但原子层面的观察技术发展显著。能够测量摩擦力、粘弹性和表面势能的模型已被开发出来，其应用正在迅速扩展。 液体测量也被应用于电化学和生物化学等领域，使状态测量更接近现实世界条件。

扫描探针显微镜（SPM）原理

本文解释了AFM和STM的原理，这些原理常用于扫描探针显微镜。 探针的类似细针，扫描样品表面以获取图像和位置信息。 由于探针较薄且执行原子级扫描，不适合测量异常不均匀的样品。

1. 扫描隧道显微镜（STM）

STM利用了从金属探针到样品的隧道电流强度对绝缘体厚度（即中间真空）敏感的事实。 通过逐个分解材料表面上的原子，可以以高分辨率准确测量样品表面的局部高度（区分两个相邻点之间的最短距离）。 此外，通过扫描样品表面，探针还能观察原子尺度上的不均匀图案。

探针使用带尖的钨或铂金。 当探头和样品靠近到重叠电子云和微小偏置电压（用于确定直流工作点以放大放大器微小信号）时，隧道电流会通过隧道效应流动。

在STM中，金属探针沿样品表面水平移动（X， Y），探针与样品之间的距离（Z）被反馈并控制，保持隧道电流始终恒定。 通常，能够以小于单个原子大小精度控制距离的压电元件执行垂直运动并检测单个原子之间的相互作用。 因此，STM在三维空间内具有原子分辨率。 压电元件是被动元件，利用压电效应的现象，当施加压力时会产生电压。

2. 原子力显微镜（AFM）

AFM测量并扫描探针与样品表面之间原子力的细微差（非化学键原子间的弱内聚力），并观察表面。 无论是有机还是无机，即使使用绝缘体和生物样本也能观察到，使其应用范围广泛。 已经开发了多种模型，应用AFM技术来测量摩擦、粘弹性、介电常数和表面势。

连接在悬臂梁的探针会受到样品表面的微小力量。 通过熔合探针与样品之间的距离（Z），保持悬臂梁上的力（偏转）恒定，表面形状被水平扫描（X， Y），生成图像。