什麼是掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope--SPM)?
SPM是一個大的種類，目前，SPM家族中已經產生了二三十種顯微鏡，如掃描隧道顯微鏡STM）、原子
（力顯微鏡（AFM）、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡（EFM）、近場光學顯微鏡（SNOM）等等。
SPM的工作原理是基於微觀或介觀範圍的各種物理特性，通過原子線度的極細探針在被研 究物質的表
面上方掃描時檢測探針—樣品兩者之間的相互作用,以得到被研究物質的表面特性，不同類型的SPM之間
的主要區別在於它們的針尖特性及其相應的針尖----樣品相互作用方式的不同。
掃描隧道顯微鏡模塊：
STM（Scanning Tunneling Microscope的簡稱）的工作原理來源於量子力學中的隧道效應原理。
當金屬探針在與導電樣品非常接近時（小於1nm），控制探針在樣品表面進行逐行掃描，檢測探針與樣
品間隧道電流的變化來獲取樣品表面形貌、I-Z、I-V曲線等其它特性。
由於要在探針和樣品間產生並傳輸隧道電流，所以只能檢測導電
樣品。
什麼是原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope -- AFM）?
AFM是SPM最重要的發展。它控制一個微懸臂探針在樣品表面進行逐行掃描，當探針在與樣品非
常接近時（小於1nm），由於兩者間原子的相互作用力，使對微弱力極敏感的微懸臂發生偏轉，再
通過光槓桿作用將微小偏轉放大，用四象限光電探測器檢測，以獲取樣品表面形貌和其它物理、化
學特性。AFM按照其成像模式和檢測信號的不同，有多種不同的工作模式，適用於不同性質的材料.
樣品。
由於AFM對樣品沒有導電性的要求，應用範圍十分廣泛，彌補了STM只能觀察導電樣品的不足。
原子力顯微鏡基礎模塊：
該模塊包含原子力顯微鏡接觸模式和橫向力模式。
模式 接觸模式：微懸臂探針緊壓樣品表面，掃描過程中與樣品保持接觸。該
時探 模式解析度較高，但成像針對樣品作用力較大，容易對樣品表面形
測表 成劃痕，或將樣品碎片吸附在針尖上，適合 檢測強度較高、結構
穩定的樣品。
橫向力模式：是接觸模式的擴展技術，針尖壓在樣品表面掃描時，與起
伏力方向垂直的橫向力使微懸臂探針左右扭曲，通過檢測這種扭
曲，獲得樣品納米尺度局域上探針的橫向作用力分布圖。
原子力顯微鏡專業模塊：
該模塊包含原子力顯微鏡輕敲模式和相移模式。
輕敲模式：在掃描過程中微懸臂被壓電驅動器激發到共振振蕩狀態，樣
品表面的起伏使微懸臂探 針的振幅產生相應變化，從而得到樣品
的表面形貌。
由於該模式下，針尖隨著懸臂的振蕩，極其短暫地對樣品進行「敲
擊」，因此橫向力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失，適合檢測粉體顆
粒、生物樣品及其它柔軟、易碎、易吸附的樣品，但解析度接觸模式低。
相移模式：是輕敲模式的擴展技術，通過檢測微懸臂實際 振動與其驅動信
號源的相位差的變化來成像。引起相移的因素很多，如樣品的組分、
硬度、粘彈性、環境阻尼等。因此利用相移模式，可以在納米尺度上
獲得樣品表面局域性質的豐富信息。
液相模式：（選配）配有液體池，工作時探針和樣品都在液體環境中，
適用於生物樣品
摩擦力顯微鏡模塊：
原子力顯微鏡基礎模塊中的橫向力模式可以獲得樣品與探針的橫向作用力分布圖。由於影響
橫向力的因素很多，主要包括樣品移動方向與針尖懸臂角度、樣品晶格排列角度、摩擦力、臺階扭動、
粘彈性等，因此，如果能夠基本確定其它因素，利用橫向力模式可以對樣品納米級摩擦係數進行間接測
量，進行表面裂縫及粘彈性分析等。
摩擦力顯微鏡是用於定量評價極輕載荷下（10^-7—10^-9N）薄膜材料的摩擦學特性，通過對針
懸臂 尖及懸臂的力學特性準確標定，能夠獲取微觀摩擦係數，為納米摩擦學研究提供依據。利用我們獨創的
對分模式掃描，可以準確標定針尖懸臂與掃描方向的90度角，以消除針尖放置角度的不準確和掃描器
誤安裝位置的差；通過設定正壓力的變化範圍，可以連續改變正壓力，
幾分鐘內就可完成幾小時才能 完成的測量過程，而且系統狀態變化很小，
使得測量更準確；由於有4通道同步採集，在所有的力測量過程中，我們
可以同時採集到樣品的起伏、針尖所受到的起伏力、橫向力，可以準確
分析針尖的狀態，為精確分析摩擦力提供了更為詳實的數據。
磁力/靜電力顯微鏡模塊：
抬起模式：該工作模式分兩個階段,第一階段與普通原子力顯微鏡形貌成像一樣，在探針與樣品間
距1nm以內成像，然後，將探針抬起並一直保持相同距離，進行第二次掃描，該掃描過程可以對一些
相對微弱但作用程較長的作用力進行檢測，如磁力或靜電力。
磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性
探針在磁性樣品表面進行逐行掃描,利用抬起模式進行二次成像，獲得樣
品納米尺度局域上磁疇結構及分布圖。
靜電力顯微鏡（Electrostatic Force Microscope -- EFM）：
控制導電探針在樣品表面進行逐行掃描，利用抬起模式二次成像，獲得
樣品納米尺度局域上靜電場分布圖。
掃描探針聲學顯微鏡模塊：
掃描探針聲學顯微鏡（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是將原子力顯微鏡與電聲成
像技術相結合，採用聲學成像模式，借用聲波記錄下物質的內部模樣，建立了低頻（<30kHz）高分
辨率（~10nm）掃描探針聲學顯微成像技術。其特點是能夠獲得反映材料亞表面納米尺度結構的聲
學像和性能的原位檢測，克服了現有SPM只能獲得材料表面結構和性質的不足。迄今為止，反映材
料亞表面納米尺度結構及有關物性的聲學功能模式的SPM在國內外報導甚少。
樣品定位輔助模塊：
該模塊包含高分辨CCD光學顯微系統和高精度電控樣品移動平臺。
高分辨CCD光學顯微系統：在計算機上成像，用於觀察探針和樣
品，放大80—600倍。
高精度電控樣品移動平臺：計算機自動控制，配合 光學顯微系統
進行精確樣品移動和定位的裝置。移動範圍5mm*5mm，單步移動步長最小
85nm。
納米加工模塊：
SPM的納米加工技術是納米科技的核心技術之一，常用的加工方法包括機械刻蝕、電致/場致刻
潤筆 蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM針尖在樣品表面準確移動，
與樣 同時控制針尖-樣品間的相互作用，就可完成所需的加工過程。
常用的移動方法包括矢量和點陣。矢量法通過矢量產生插件建立矢量數據文件，然後進行刻蝕。
使用這種方法，線條連續，刻蝕速度快，但矢量編輯較為麻煩。點陣法通過插件自動分析需要刻蝕的圖
象，在樣品上邊掃描邊刻蝕。這種方法不用編輯矢量，與原圖像幾乎不失真，但刻蝕速度慢，線條不連
續。可以根據需要選擇不同的方法。
SPM通用平臺開放式開發系統模塊：
SPM通用平臺開放式開發系統是一套完整的SPM模塊化開發平臺，簡稱「開發系統」。包括軟體
板和 開發模硬體開發套件。如果您需要在已有的SPM功能上開發特殊要求的功能模塊，就需要購買開發系
統。目前，離線軟體開發模板我們都免費贈送，鼓勵用戶親自開發，或者提出詳細要求和算法，委託我
們為SPM定製1-2個特殊功能的處理插件，這都是免費的服務。
軟硬體結合的特殊功能的SPM開發就要使用「開發系統」了。這套系統具體包括軟體開發模板、硬體
擴展接口測試箱(硬體擴展實驗板組)、硬體接口插件模板、開發手冊。該系統的設計充分考慮了用戶級
二次開發的方便性、可行性和可靠性。當然，您也可以購「開發系統」，然後提出IDEA，由我們來幫您
合作完成。
在您了解了各個功能模塊後，您可以選型了，我們為了您搭建了四種機型，它們的外形都基本
一樣，那是因為這樣便於您今後無障礙模塊化升級。
模塊/型號 ZL STM-II 型
掃描隧道顯微鏡
ZLAFM-II型
原子力顯微鏡
ZLAFM-III型
掃描探針顯微鏡
ZL3000型掃
描探針顯微鏡
掃描隧道
顯微鏡模塊
原子力顯微鏡
基礎模塊
原子力 顯微鏡
專業模塊
摩擦力
顯微鏡模塊 可選配
磁力/靜電力
顯微鏡模塊
樣品定位
鋪助模塊 可選配
納米 加工
模塊 可選配 可選配 可選配
SPM通用平臺
開發系統 可選配 可選配
掃描探針
聲學模塊
可選配 可選配
各功能模塊介紹摘要：
1．掃描隧道顯微鏡只能檢測 導電樣品，因其有樣品的局限性，所以通常作為教學儀器。
2．原子力顯微鏡對樣品沒有導電性的要求，應用範圍十分廣泛。AFM基礎模塊包括接觸模式和橫
向模式；AFM專業模塊包括輕巧和相移模式。
3．接觸模式AFM適合檢測表面強度較高、結構穩定的樣品。
4．橫向力模式AFM可以獲得樣品納米尺度局限上探針的橫向作用力分布圖。
5．輕敲模式AFM適合檢測粉體顆粒、生物樣品及其它柔軟、易碎、易吸附的樣品，但解析度比接
觸模式較低。
6．相移模式AFM對不同組分材料的組分變化比較敏感。
7．磁力顯微鏡可以獲得樣品納米尺度局域上磁疇結構及分布圖。
8．靜電力顯微鏡可以獲得樣品納米尺度局域上靜電場分布圖。
9．樣品定位輔助模塊用於實現樣品在毫米量級範圍內以納米精度搜尋定位。
10．納米加工模塊用於實現矢量刻蝕和圖形刻蝕方法的納米加工。
11．如需開發特殊功能SPM，需要購買SPM通用平臺開放式開發系統。
配置/型號 ZL
STM-II ZL
AFM-I ZL
AFM-II ZL
AFM-III ZL
3000
主機 可擴展式電子學控制機箱
多模式掃描探針顯微鏡組合式探頭 掃描隧道顯微鏡
原子力顯微鏡 接觸/橫向力 模式
原子力顯微鏡 輕敲/相移 模式
摩擦力顯微鏡
磁力/靜電力顯微鏡
針尖粗調/自動趨近機構
掃描器(單一多量程自適應掃描器不更換技術)
針尖架 掃描隧道模式針尖架
原子力基礎模式針尖架
原子力專業模式針尖架
磁力模式針尖架
靜電力模式針尖架
組合式納米級減振系統
1個
包含 包含 包含 包含
包含
1套
6μm 6μm 50μm 50μm 100μm
1個 2個 3個 5個
1個
1套
軟體
系統
在線控制軟體 1套
離線圖像處理/分析軟體
離線軟體開發模板
摩擦力分析軟體
網絡實驗室遠程控制軟體
培訓課件/實驗教材/科普教材/說明書光碟
附件 標準樣品 1套
樣品載片 5片 5片 10片 10片 15片
STM探針 Pt-Ir 20 20cm 20cm
AFM接觸/橫向力/摩擦力模式探針（進口） 10枚
AFM輕敲/相移模式探針（進口） 10枚
MFM磁力探針（進口） 5枚
EFM導電探針（進口） 5枚
專用工具（鑷子、針尖剪刀、玻璃皿 等）
1套
樣品
定位
模塊 高分辨CCD光學顯微系統 可選配
高精度電控樣品移動平臺
納米加工模塊
SPM通用平臺開放式開發系統
什麼是掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope--SPM)?
SPM是一個大的種類，目前，SPM家族中已經產生了二三十種顯微鏡，如掃描隧道顯微鏡STM）、原子
（力顯微鏡（AFM）、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡（EFM）、近場光學顯微鏡（SNOM）等等。
SPM的工作原理是基於微觀或介觀範圍的各種物理特性，通過原子線度的極細探針在被研 究物質的表
面上方掃描時檢測探針—樣品兩者之間的相互作用,以得到被研究物質的表面特性，不同類型的SPM之間
的主要區別在於它們的針尖特性及其相應的針尖----樣品相互作用方式的不同。
掃描隧道顯微鏡模塊：
STM（Scanning Tunneling Microscope的簡稱）的工作原理來源於量子力學中的隧道效應原理。
當金屬探針在與導電樣品非常接近時（小於1nm），控制探針在樣品表面進行逐行掃描，檢測探針與樣
品間隧道電流的變化來獲取樣品表面形貌、I-Z、I-V曲線等其它特性。
由於要在探針和樣品間產生並傳輸隧道電流，所以只能檢測導電
樣品。
什麼是原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope -- AFM）?
AFM是SPM最重要的發展。它控制一個微懸臂探針在樣品表面進行逐行掃描，當探針在與樣品非
常接近時（小於1nm），由於兩者間原子的相互作用力，使對微弱力極敏感的微懸臂發生偏轉，再
通過光槓桿作用將微小偏轉放大，用四象限光電探測器檢測，以獲取樣品表面形貌和其它物理、化
學特性。AFM按照其成像模式和檢測信號的不同，有多種不同的工作模式，適用於不同性質的材料.
樣品。
由於AFM對樣品沒有導電性的要求，應用範圍十分廣泛，彌補了STM只能觀察導電樣品的不足。
原子力顯微鏡基礎模塊：
該模塊包含原子力顯微鏡接觸模式和橫向力模式。
模式 接觸模式：微懸臂探針緊壓樣品表面，掃描過程中與樣品保持接觸。該
時探 模式解析度較高，但成像針對樣品作用力較大，容易對樣品表面形
測表 成劃痕，或將樣品碎片吸附在針尖上，適合 檢測強度較高、結構
穩定的樣品。
橫向力模式：是接觸模式的擴展技術，針尖壓在樣品表面掃描時，與起
伏力方向垂直的橫向力使微懸臂探針左右扭曲，通過檢測這種扭
曲，獲得樣品納米尺度局域上探針的橫向作用力分布圖。
原子力顯微鏡專業模塊：
該模塊包含原子力顯微鏡輕敲模式和相移模式。
輕敲模式：在掃描過程中微懸臂被壓電驅動器激發到共振振蕩狀態，樣
品表面的起伏使微懸臂探 針的振幅產生相應變化，從而得到樣品
的表面形貌。
由於該模式下，針尖隨著懸臂的振蕩，極其短暫地對樣品進行「敲
擊」，因此橫向力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失，適合檢測粉體顆
粒、生物樣品及其它柔軟、易碎、易吸附的樣品，但解析度接觸模式低。
相移模式：是輕敲模式的擴展技術，通過檢測微懸臂實際 振動與其驅動信
號源的相位差的變化來成像。引起相移的因素很多，如樣品的組分、
硬度、粘彈性、環境阻尼等。因此利用相移模式，可以在納米尺度上
獲得樣品表面局域性質的豐富信息。
液相模式：（選配）配有液體池，工作時探針和樣品都在液體環境中，
適用於生物樣品
摩擦力顯微鏡模塊：
原子力顯微鏡基礎模塊中的橫向力模式可以獲得樣品與探針的橫向作用力分布圖。由於影響
橫向力的因素很多，主要包括樣品移動方向與針尖懸臂角度、樣品晶格排列角度、摩擦力、臺階扭動、
粘彈性等，因此，如果能夠基本確定其它因素，利用橫向力模式可以對樣品納米級摩擦係數進行間接測
量，進行表面裂縫及粘彈性分析等。
摩擦力顯微鏡是用於定量評價極輕載荷下（10^-7—10^-9N）薄膜材料的摩擦學特性，通過對針
懸臂 尖及懸臂的力學特性準確標定，能夠獲取微觀摩擦係數，為納米摩擦學研究提供依據。利用我們獨創的
對分模式掃描，可以準確標定針尖懸臂與掃描方向的90度角，以消除針尖放置角度的不準確和掃描器
誤安裝位置的差；通過設定正壓力的變化範圍，可以連續改變正壓力，
幾分鐘內就可完成幾小時才能 完成的測量過程，而且系統狀態變化很小，
使得測量更準確；由於有4通道同步採集，在所有的力測量過程中，我們
可以同時採集到樣品的起伏、針尖所受到的起伏力、橫向力，可以準確
分析針尖的狀態，為精確分析摩擦力提供了更為詳實的數據。
磁力/靜電力顯微鏡模塊：
抬起模式：該工作模式分兩個階段,第一階段與普通原子力顯微鏡形貌成像一樣，在探針與樣品間
距1nm以內成像，然後，將探針抬起並一直保持相同距離，進行第二次掃描，該掃描過程可以對一些
相對微弱但作用程較長的作用力進行檢測，如磁力或靜電力。
磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性
探針在磁性樣品表面進行逐行掃描,利用抬起模式進行二次成像，獲得樣
品納米尺度局域上磁疇結構及分布圖。
靜電力顯微鏡（Electrostatic Force Microscope -- EFM）：
控制導電探針在樣品表面進行逐行掃描，利用抬起模式二次成像，獲得
樣品納米尺度局域上靜電場分布圖。
掃描探針聲學顯微鏡模塊：
掃描探針聲學顯微鏡（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是將原子力顯微鏡與電聲成
像技術相結合，採用聲學成像模式，借用聲波記錄下物質的內部模樣，建立了低頻（<30kHz）高分
辨率（~10nm）掃描探針聲學顯微成像技術。其特點是能夠獲得反映材料亞表面納米尺度結構的聲
學像和性能的原位檢測，克服了現有SPM只能獲得材料表面結構和性質的不足。迄今為止，反映材
料亞表面納米尺度結構及有關物性的聲學功能模式的SPM在國內外報導甚少。
樣品定位輔助模塊：
該模塊包含高分辨CCD光學顯微系統和高精度電控樣品移動平臺。
高分辨CCD光學顯微系統：在計算機上成像，用於觀察探針和樣
品，放大80—600倍。
高精度電控樣品移動平臺：計算機自動控制，配合 光學顯微系統
進行精確樣品移動和定位的裝置。移動範圍5mm*5mm，單步移動步長最小
85nm。
納米加工模塊：
SPM的納米加工技術是納米科技的核心技術之一，常用的加工方法包括機械刻蝕、電致/場致刻
潤筆 蝕、浸潤筆(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM針尖在樣品表面準確移動，
與樣 同時控制針尖-樣品間的相互作用，就可完成所需的加工過程。
常用的移動方法包括矢量和點陣。矢量法通過矢量產生插件建立矢量數據文件，然後進行刻蝕。
使用這種方法，線條連續，刻蝕速度快，但矢量編輯較為麻煩。點陣法通過插件自動分析需要刻蝕的圖
象，在樣品上邊掃描邊刻蝕。這種方法不用編輯矢量，與原圖像幾乎不失真，但刻蝕速度慢，線條不連
續。可以根據需要選擇不同的方法。
SPM通用平臺開放式開發系統模塊：
SPM通用平臺開放式開發系統是一套完整的SPM模塊化開發平臺，簡稱「開發系統」。包括軟體
板和 開發模硬體開發套件。如果您需要在已有的SPM功能上開發特殊要求的功能模塊，就需要購買開發系
統。目前，離線軟體開發模板我們都免費贈送，鼓勵用戶親自開發，或者提出詳細要求和算法，委託我
們為SPM定製1-2個特殊功能的處理插件，這都是免費的服務。
軟硬體結合的特殊功能的SPM開發就要使用「開發系統」了。這套系統具體包括軟體開發模板、硬體
擴展接口測試箱(硬體擴展實驗板組)、硬體接口插件模板、開發手冊。該系統的設計充分考慮了用戶級
二次開發的方便性、可行性和可靠性。當然，您也可以購「開發系統」，然後提出IDEA，由我們來幫您
合作完成。
在您了解了各個功能模塊後，您可以選型了，我們為了您搭建了四種機型，它們的外形都基本
一樣，那是因為這樣便於您今後無障礙模塊化升級。
模塊/型號 ZL STM-II 型
掃描隧道顯微鏡
ZLAFM-II型
原子力顯微鏡
ZLAFM-III型
掃描探針顯微鏡
ZL3000型掃
描探針顯微鏡
掃描隧道
顯微鏡模塊
原子力顯微鏡
基礎模塊
原子力 顯微鏡
專業模塊
摩擦力
顯微鏡模塊 可選配
磁力/靜電力
顯微鏡模塊
樣品定位
鋪助模塊 可選配
納米 加工
模塊 可選配 可選配 可選配
SPM通用平臺
開發系統 可選配 可選配
掃描探針
聲學模塊
可選配 可選配
各功能模塊介紹摘要：
1．掃描隧道顯微鏡只能檢測 導電樣品，因其有樣品的局限性，所以通常作為教學儀器。
2．原子力顯微鏡對樣品沒有導電性的要求，應用範圍十分廣泛。AFM基礎模塊包括接觸模式和橫
向模式；AFM專業模塊包括輕巧和相移模式。
3．接觸模式AFM適合檢測表面強度較高、結構穩定的樣品。
4．橫向力模式AFM可以獲得樣品納米尺度局限上探針的橫向作用力分布圖。
5．輕敲模式AFM適合檢測粉體顆粒、生物樣品及其它柔軟、易碎、易吸附的樣品，但解析度比接
觸模式較低。
6．相移模式AFM對不同組分材料的組分變化比較敏感。
7．磁力顯微鏡可以獲得樣品納米尺度局域上磁疇結構及分布圖。
8．靜電力顯微鏡可以獲得樣品納米尺度局域上靜電場分布圖。
9．樣品定位輔助模塊用於實現樣品在毫米量級範圍內以納米精度搜尋定位。
10．納米加工模塊用於實現矢量刻蝕和圖形刻蝕方法的納米加工。
11．如需開發特殊功能SPM，需要購買SPM通用平臺開放式開發系統。
配置/型號 ZL
STM-II ZL
AFM-I ZL
AFM-II ZL
AFM-III ZL
3000
主機 可擴展式電子學控制機箱
多模式掃描探針顯微鏡組合式探頭 掃描隧道顯微鏡
原子力顯微鏡 接觸/橫向力 模式
原子力顯微鏡 輕敲/相移 模式
摩擦力顯微鏡
磁力/靜電力顯微鏡
針尖粗調/自動趨近機構
掃描器(單一多量程自適應掃描器不更換技術)
針尖架 掃描隧道模式針尖架
原子力基礎模式針尖架
原子力專業模式針尖架
磁力模式針尖架
靜電力模式針尖架
組合式納米級減振系統
1個
包含 包含 包含 包含
包含
1套
6μm 6μm 50μm 50μm 100μm
1個 2個 3個 5個
1個
1套
軟體
系統
在線控制軟體 1套
離線圖像處理/分析軟體
離線軟體開發模板
摩擦力分析軟體
網絡實驗室遠程控制軟體
培訓課件/實驗教材/科普教材/說明書光碟
附件 標準樣品 1套
樣品載片 5片 5片 10片 10片 15片
STM探針 Pt-Ir 20 20cm 20cm
AFM接觸/橫向力/摩擦力模式探針（進口） 10枚
AFM輕敲/相移模式探針（進口） 10枚
MFM磁力探針（進口） 5枚
EFM導電探針（進口） 5枚
專用工具（鑷子、針尖剪刀、玻璃皿 等）
1套
樣品
定位
模塊 高分辨CCD光學顯微系統 可選配
高精度電控樣品移動平臺
納米加工模塊
SPM通用平臺開放式開發系統
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① 凡本網註明"來源：儀器信息網"的所有作品，版權均屬於儀器信息網，未經本網授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用。已獲本網授權的作品，應在授權範圍內使用，並註明"來源：儀器信息網"。違者本網將追究相關法律責任。
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