• <table id="4yyaw"><kbd id="4yyaw"></kbd></table>
  • <td id="4yyaw"></td>
  • 發布時間:2019-12-23 14:40 原文鏈接: 掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)的對比

    1.1 STM工作原理

    掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極,當樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時,在外加電場的作用下,電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。尖銳金屬探針在樣品表面掃描,利用針尖-樣品間納米間隙的量子隧道效應引起隧道電流與間隙大小呈指數關系,獲得原子級樣品表面形貌特征圖象。

    image.png

    圖1 STM的基本原理圖


    1.2 STM工作模式


    根據針尖與樣品間相對運動方式的不同,STM有兩種工作模式:恒電流模式(a)和恒高模式(b)。

    image.png


    (a)恒電流模式

    (b)恒高度模式

    圖2 STM掃描模式示意圖

    恒電流模式:掃描時,在偏壓不變的情況下,始終保持隧道電流恒定。

    恒高模式:始終控制針尖在樣品表面某一水平高度上掃描,隨樣品表面高低起伏,隧道電流不斷變化。所得到的STM圖像不僅勾畫出樣品表面原子的幾何結構,而且還反映了原子的電子結構特征。

    恒電流模式是掃描隧道顯微鏡最常用的一種工作模式。以恒電流模式工作時,由于STM的針尖是隨著樣品表面的起伏而上下運動,因此不會因表面起伏太大而碰撞到樣品表面,所以恒電流模式適于觀察表面起伏較大的樣品。

    恒高模式工作時,由于針尖的高度恒定不變,所以僅適用于觀察表面起伏不大的樣品。但在恒高模式下工作,獲取STM圖像快,且能有效地減少噪音和熱漂移對隧道電流的干擾,提高分辨率。

    1.3 STM特點

    image.png

    圖3 STM與TEM、SEM、FIM及AES的特性比較

    與TEM、SEM等分析技術相比,掃描隧道顯微鏡具有如下特點:

    1)STM結構簡單。

    2)其實驗可在多種環境中進行:如大氣、超高真空或液體(包括在絕緣液體和電解液中)。

    3)工作溫度范圍較寬,可在mK到1100K范圍內變化。這是目前任何一種顯微技術都不能同時做到的。

    4)分辨率高,掃描隧道顯微鏡在水平和垂直分辨率可以分別達到0.1nm和0.01nm。因此可直接觀察到材料表面的單個原子和原子在材料表面上的三維結構圖像。

    5)在觀測材料表面結構的同時,可得到材料表面的掃描隧道譜(STS),從而可以研究材料表面化學結構和電子狀態。

    6)不能探測深層信息,無法直接觀察絕緣體。

    1.4 STM應用

    利用掃描隧道顯微鏡可直接觀測材料表面原子是否具有周期性的表面結構特征,表面的重構和結構缺陷等。

    image.png



    圖4 在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖像

    image.png


    圖5 利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖

    image.png



    (a)Si(100)-2×1表面 表面尺寸為6.0nm×6.0nm

    (b)Si(100)-2×1表面 尺寸為10.6nm×10.6nm

    圖6 硅表面的原子圖像

    圖(a)中可看到Si(100)-2×1表面上有兩個Si原子組成的二聚體結構以及由這些二聚體形成的二聚體列。圖(b)中可觀察到Si(100)-2×1表面上的單原子臺階和不同種類的單原子缺陷。


    2 AFM

    2.1 AFM工作原理

    原子力顯微鏡是一種類似于掃描隧道顯微鏡的顯微技術,它們的主要不同點是掃描隧道顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的隧道電流,而原子力顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的力。

    AFM可以研究絕緣體樣品的表面結構。AFM分辨率:橫向0.15nm,縱向0.05nm。STM分辨率:橫向0.1nm,縱向0.01nm。

    AFM不但可測樣品的表面形貌,達到接近原子分辨率,還可測量表面原子間的力,測量表面的彈性,塑性,硬度,粘著力,摩擦力等性質。

    image.png




    圖7 AFM的工作原理


    2.2 AFM工作模式

    在原子力顯微鏡成像模式中,根據針尖與樣品間作用力的不同性質可分為:接觸模式,非接觸模式,輕敲模式。

    1) 接觸成像模式:針尖在掃描過程中始終同樣品表面接觸。針尖和樣品間的相互作用力為接觸原子間電子的庫侖排斥力(其力大小為10-8~10-6N)。優點為圖像穩定,分辨率高,缺點為由于針尖和樣品間粘附力的作用等因素影響,可影響成像質量。

    2) 非接觸成像模式:當針尖在樣品表面掃描時,始終保持不與樣品表面接觸(一般保持5~20nm的距離)。在非接觸模式中, 針尖與樣品間的作用力是長程力——范德華吸引力。由于針尖始終不與樣品表面接觸,因而避免了接觸模式中遇到的一些問題。缺點是由于范德華力非常小,因此比接觸模式的分辨率較低,并且不適合于液體中成像。

    3) 輕敲成像模式:同非接觸模式相似, 在針尖掃描過程中,微懸臂也是振蕩的,其振幅比非接觸模式更大,同時針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。優點是分辨率高(近乎等同接觸模式);可應用于柔軟、易碎和粘附性樣品;由于作用力是垂直的,材料表面受橫向摩擦力、壓縮力、剪切力的影響較小。

    2.3 AFM應用舉例

    由于原子力顯微鏡對所分析樣品的導電性無要求,因此使其在諸多材料領域中得到了廣泛應用。

    image.png

    圖8 ITO薄膜

    透明導電的ITO薄膜,隨著成膜方法、膜厚、基底溫度等成膜條件變化, 而表面形貌不同。將膜厚120nm(左)與450nm(右)的ITO薄膜進行比較時,隨著膜厚的增加,每個結晶顆粒明顯地長大。另外,明顯地觀察到濺射生長法特有的晶粒-亞晶粒結構。

    image.png

    圖9 牙齒的蜂窩狀結構

    觀察被酸腐蝕的牙齒釉質表面。由于釉質的磷灰石結晶的差別,腐蝕出粗糙的蜂窩狀表面。在與口腔內中類似的水溶液中觀察。(使用培養皿型的液體池)

    圖10 力-距離曲線

    image.png

    原子力顯微鏡可作為納米級的“壓痕器”,用來測量材料的彈性、塑性、硬度等性質。




    相關文章

    從顯微鏡到工作流:中國客戶正在改變什么?

    訪徠卡顯微系統高管團隊從關注設備性能到關注整體工作流,從單一產品到系統解決方案,中國客戶正在重新定義科學儀器創新的方向。過去幾年,中國生命科學、生物制藥、精準醫療和先進制造領域正以前所未有的速度發展。......

    蔡司、賽默飛、艾本德均有斬獲,某單位66套實驗設備項目中標結果公布

    近日,海南醫科大學2026年熱帶轉化醫學教育部重點實驗室設備購置項目公布了部分中標結果,共計兩個采購包,總項目金額為931.5萬。其中,蔡司、賽默飛、艾本德、伯樂均有中標儀器。本次采購品類覆蓋熒光倒置......

    787萬!江西師范大學公開采購多臺設備

    近期,江西師范大學發布了多項儀器項目招標公告,計劃采購顯微鏡、熱學分析儀器等,共計787萬預算,詳情如下:序號采購條目名稱數量單位采購預算(元)1顯微鏡1套15000002熱學式分析儀器1套80000......

    全國光學和光子學標準化技術委員會第六屆顯微鏡分技術委員會換屆及組成方案公示

    各有關單位:全國光學和光子學標準化技術委員會第六屆顯微鏡分技術委員會(SAC/TC103/SC2)擬由39名委員組成,莊松林任主任委員,毛磊、李晞、陳木旺任副主任委員,張薇任委員兼秘書長,秘書處由上海......

    青海省藥檢院將采購光學顯微鏡、氣質聯用、液質聯用等設備

    青海省藥品檢驗檢測院2026年度(第4批)采購意向-青海省市場監督管理局市場監管藥品檢驗檢測設備更新項目(第一批)公開。該項目計劃采購光學顯微鏡(帶成像系統)、氣相色譜/質譜聯用儀、液相色譜/質譜聯用......

    海關總署2025年顯微鏡(第一批)采購項目重新招標

    海關總署物資裝備采購中心就“海關總署2025年顯微鏡(第一批)采購項目(重新招標)”進行國內公開招標采購,現邀請符合資格條件的投標人前來投標。本項目招標活動將嚴格落實節約能源、保護環境、扶持不發達地區......

    全部進口!協和醫學院2597萬設備更新項目中標落地

    5月11日,北京協和醫院就2025年教育設備更新項目第二十批設備采購項目03包(重招)發布中標公告,Leica、MolecularDevices、Cytiva等10個進口品牌中標,中標產品涵蓋光譜型深......

    探索納米世界的智能鑰匙:日立電子顯微鏡降低微觀觀察的門檻

    在材料科學、生命科學乃至工業質檢領域,窺探微觀世界的能力已成為推動進步的關鍵。然而,傳統高分辨率電子顯微鏡常伴隨著復雜的操作流程、嚴苛的樣品制備要求和高昂的技術門檻,使得這一強大工具難以惠及更廣泛的研......

    2026年度激光共聚焦及超高分辨顯微學年會圓滿召開,產學研協同共探微觀科技前沿

    2026年3月27日,由北京理化分析測試技術學會電子顯微學專業委員會主辦的2026年度激光共聚焦及超高分辨顯微學年會,在中復大廈成功召開。來自科研院所、高等院校及國內外知名企業的近300余位專家學者齊......

    新型介觀顯微鏡解決經顱等活體成像屏障

    活體深部組織的高分辨成像長期受限于“光學擴散屏障”。光聲成像雖以聲學探測繞開部分光學限制,但仍面臨深度與分辨率的物理權衡。中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所提出基于低頻超聲換能器的計算光聲介觀鏡(C......

  • <table id="4yyaw"><kbd id="4yyaw"></kbd></table>
  • <td id="4yyaw"></td>
  • 调性视频