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，國際商業機器公司蘇黎世實驗室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事們共同研製成功了世界上第一臺新型的表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡稱STM)。STM的出現，使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態，研究與表面電子行為有關的物理和化學性質，在表面科學、材料科學等領域的研究中具有重大的意義和廣闊的應用前景，被國際科學界公認為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發明者們對科學研究的傑出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾因此獲得諾貝爾物理學獎。

STM是繼高分辨透射電子顯微鏡，場離子顯微鏡之後，第三種在原子尺度觀察物質表面結構的顯微鏡，其解析度在水平方向可達0.1nm，垂直方向可達0.01nm，它的出現標誌著納米技術研究的一個最重大的轉折，甚至可以標誌著納米技術研究的正式起步，這是因為STM具有原子和納米尺度的分析和加工的能力。使用STM，在物理學和化學領域，可用於研究原子之間的微小結合能，製造人造分子；在生物學領域，可用於研究生物細胞和染色體內的單個蛋白質和DNA分子的結構，進行分子切割和組裝手術；在材料學領域，可以用於分析材料的晶格和原子結構，考察晶體中原子尺度上的缺陷；在微電子領域，則可以用於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工作的。若以金屬針尖為一電極，被測固體樣品為另一電極，當他們之間的距離小到1nm左右時，就會出現隧道效應，電子從一個電極穿過空間勢壘到達另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓；k：常數，約等於1，Φ1/2：平均功函數，S：距離。

從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負指數關係。對於間距的變化非常敏感。因此，當針尖在被測樣品表面做平面掃描時，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會導致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數量級的變化。這樣就可以通過測量電流的變化來反應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，這種運行模式稱為恆高模式（保持針尖高度恆定）。

STM還有另外一種工作模式，稱為恆流模式，如下圖左邊。此時，針尖掃描過程中，通過電子反饋迴路保持隧道電流不變。為維持恆定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動，從而記錄下針尖上下運動的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。

恆流模式是STM常用的工作模式，而恆高模式僅適於對表面起伏不大的樣品進行成像。當樣品表面起伏較大時，由於針尖離樣品表面非常近，採用恆高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導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，使用對微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對樣品表面作光柵式掃描。當針尖和樣品表面的距離非常接近時，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，微懸臂就會發生微小的彈性形變。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。所以，只要測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烈的依賴關係，所以在掃描過程中利用反饋迴路保持針尖與樣品之間的作用力恆定，即保持為懸臂的形變量不變，針尖就會隨樣品表面的起伏上下移動，記錄針尖上下運動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「恆力」模式（ConstantForceMode），是使用最廣泛的掃描方式。
　　AFM的圖像也可以使用「恆高」模式（ConstantHeightMode）來獲得，也就是在X，Y掃描過程中，不使用反饋迴路，保持針尖與樣品之間的距離恆定，通過測量微懸臂Z方向的形變量來成像。這種方式不使用反饋迴路，可以採用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時用得比較多，而對於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)、側向力(LateralForceMode)模式。根據樣品表面不同的結構特徵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，以恆高或恆力的模式進行掃描。掃描過程中，針尖在樣品表面滑動。通常情況下，接觸模式都可以產生穩定的、高解析度的圖像。
　　在接觸模式中，如果掃描軟樣品的時候，樣品表面由於和針尖直接接觸，有可能造成樣品的損傷。如果為了保護樣品，在掃描過程中將樣品和針尖之間的作用力減弱的話，圖像可能會發生扭曲或得到偽像。同時，表面的毛細作用也會降低解析度。所以接觸模式一般不適用於研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。

非接觸模式

　　在非接觸模式中，針尖在樣品表面上方振動，始終不與樣品接觸，探針監測器檢測的是範德華力和靜電力等對成像樣品的無破壞的長程作用力。這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當針尖與樣品之間的距離較長時，解析度要比接觸模式和輕敲模式都低，而且成像不穩定，操作相對困難，通常不適用於在液體中成像，在生物中的應用也比較少。

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，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。由於輕敲模式能夠避免針尖粘附到樣品上，以及在掃描過程中對樣品幾乎沒有損壞。輕敲模式的針尖在接觸表面時，可以通過提供針尖足夠的振幅來克服針尖和樣品間的粘附力。同時，由於作用力是垂直的，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點是大而且線性的工作範圍，使得垂直反饋系統高度穩定，可重複進行樣品測量。
　　輕敲模式AFM在大氣和液體環境下都可以實現。在大氣環境中，當針尖與樣品不接觸時，微懸臂以最大振幅自由振蕩；當針尖與樣品表面接觸時，儘管壓電陶瓷片以同樣的能量激發微懸臂振蕩，但是空間阻礙作用使得微懸臂的振幅減小，反饋系統控制微懸臂的振幅恆定，針尖就跟隨樣品表面的起伏上下移動獲得形貌信息。輕敲模式同樣適合在液體中操作，而且由於液體的阻尼作用，針尖與樣品的剪切力更小，對樣品的損傷也更小，所以在液體中的輕敲模式成像可以對活性生物樣品進行現場檢測、對溶液反應進行現場跟蹤等。

側向力模式

　　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。當微懸臂在樣品上方掃描時，由於針尖與樣品表面的相互作用，導致懸臂擺動，其形變的方向大致有兩個：垂直與水平方向。一般來說，雷射位置探測器所探測到的垂直方向的變化，反映的是樣品表面的形態，而在水平方向上所探測到的信號的變化，由於物質表面材料特性的不同，其摩擦係數也不同，所以在掃描的過程中，導致微懸臂左右扭曲的程度也不同。微懸臂的扭轉彎曲程度隨表面摩擦特性變化而增減（增加摩擦力導致更大的扭轉）。雷射檢測器可以實時分別測量並記錄形貌和橫向力數據。通常不僅樣品表面組分不同可以導致微懸臂扭曲，樣品表面形貌的變化也會導致微懸臂的扭曲，如下圖所示。為了區分這二者，通常LFM圖像和AFM圖像應該同時獲得。根據導致微懸臂扭曲的原因不同，通常可以利用LFM獲得物質表面的組分構成像和「邊緣增強像」。

側向力模式