什么是掃描探針顯微鏡？

掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，SPM）是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的各種新型探針顯微鏡（原子力顯微鏡，靜電力顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描離子電導顯微鏡，掃描電化學顯微鏡等）的統稱，是國際上近年發展起來的表面分析儀器，是綜合運用光電子技術、激光技術、微弱信號檢測技術、精密機械設計和加工、自動控制技術、數字信號處理技術、應用光學技術、計算機高速采集和控制及高分辨圖形處理技術等現代科技成果的光、機、電一體化的高科技產品。

中文名 掃描探針顯微鏡 外文名 Scanning Probe Microscope 縮   寫 SPM 應用領域 納米科學，納米材料，表面科學。

特點

SPM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有著其明顯的優勢：

首先，SPM具有極高的分辨率。它可以輕易的“看到”原子，這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。

其次，SPM得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖像。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結構。也就是說，SPM是真正看到了原子。

再次，SPM的使用環境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環境要求比較苛刻，樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。因此SPM適用于各種工作環境下的科學實驗。

應用

SPM的應用領域是寬廣的。無論是物理、化學、生物、醫學等基礎學科，還是材料、微電子等應用學科都有它的用武之地。

SPM的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。

同其它表面分析技術相比，SPM 有著諸多優勢，不僅可以得到高分辨率的表面成像，與其他類型的顯微鏡相比（光學顯微鏡，電子顯微鏡）相比，SPM掃描成像的一個巨大的優點是可以成三維的樣品表面圖像，還可對材料的各種不同性質進行研究。同時，SPM 正在向著更高的目標發展， 即它不僅作為一種測量分析工具，而且還要成為一種加工工具， 也將使人們有能力在極小的尺度上對物質進行改性、重組、再造．SPM 對人們認識世界和改造世界的能力將起著極大的促進作用。同時受制其定量化分析的不足，因此SPM 的計量化也是人們正在致力于研究的另一重要方向，這對于半導體工業和超精密加工技術來說有著非同一般的意義

掃描隧道顯微鏡(STM)在化學中的應用研究雖然只進行了幾年，但涉及的范圍已極為廣泛。因為掃描隧道顯微鏡(STM)的最早期研究工作是在超高真空中進行的，因此最直接的化學應用是觀察和記錄超高真空條件下金屬原子在固體表面的吸附結構。在化學各學科的研究方向中，電化學可算是很活躍的領域，可能是因為電解池與掃描隧道顯微鏡(STM)裝置的相似性所致。同時對相界面結構的再認識也是電化學家們長期關注的課題。專用于電化學研究的掃描隧道顯微鏡(STM)裝置已研制成功。

SPM近些年來應用的領域越來越多，其中主要的除了獲得高分辨的二維和三維表面形貌外，在線監測是個熱點，其中包括了生物活體的在線監測和物理化學反應的在線監測。在材料領域中，人們利用它來研究腐蝕的微觀機理。腐蝕是一種發生在固體與氣體或液體分界面上的現象。雖然通常人眼就可以看到腐蝕造成的結果，但是腐蝕都是從原子尺度開始的。在生物醫學研究對象也從最初的DNA迅速擴大到包括細胞結構、染色體、蛋白質、膜等生物學的大部分領域。更為重要的是，SPM作為靜態觀察，還可以實現動態成像，按分子設計制備具有特定功能的生物零件、生物機器、將生物系統和微機械有機地結合起來。在微機械加工方面：由于SPM 的針尖曲率半徑小,且與樣品之間的距離很近( < 1nm)，在針尖與樣品之間可以產生一個高度局域化的場，包括力、電、磁、光等。該場會在針尖所對應的樣品表面微小區域產生結構性缺陷、相變、化學反應、吸附質移位等干擾，并誘導化學沉積和腐蝕，這正是利用SPM 進行納米加工的客觀依據。同時也表明，SPM不是簡單用來成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進行加工和操作的工具

在納米尺寸、分子水平上SPM是最先進的測試工具，它在材料及微生物學科中發揮了非常重要的作用，可以預測在今后新材料的發展以及揭示生命領域的一些重要的問題上將會發揮重要作用。結合SPM家族中的各類分析手段，例如MFM，SKPFM，AFM等，收集材料的各種信息，對材料進行納米級和原子級別的原位觀察，具有重要的意義。

任何事物都不是十全十美的一樣，SPM也有令人遺憾的地方。由于其工作原理是控制具有一定質量的探針進行掃描成像，因此掃描速度受到限制， 測效率較其他顯微技術低；由于壓電效應在保證定位精度前提下運動范圍很小（難以突破100μm量級），而機械調節精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續變焦，定位和尋找特征結構比較困難；

掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個數量級，掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會導致系統無法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；

由于系統是通過檢測探針對樣品進行掃描時的運動軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服)