探究掃描探針顯微鏡工作原理

掃描探針顯微鏡是一種新型的探針顯微鏡，是從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。它是近年來世界上迅速發展起來的一種表面分析儀器。

掃描探針顯微鏡原理及結構：

掃描探針顯微鏡的基本工作原理是利用探針與樣品表面原子和分子之間的相互作用，即當探針與樣品表面接近納米尺度時，形成各種相互作用的物理場，通過檢測相應的物理量，得到樣品的表面形貌。掃描探針顯微鏡由探頭、掃描儀、位移傳感器、控制器、檢測系統和圖像系統組成。

控制器通過掃描器沿垂直方向移動樣品，使探頭與樣品之間的距離（或物理量的相互作用）穩定在一個固定的值上；同時，控制器在X-Y水平面移動樣品，使探頭按照掃描路徑掃描樣品表面。掃描探針顯微鏡在穩定探針與樣品之間的距離的條件下，檢測探針與樣品之間的相互作用的相關物理信號，在穩定的相互作用物理量的情況下，通過位移傳感器在垂直方向上檢測探針與樣品之間的距離。圖像系統可以根據檢測信號（或探頭與樣品之間的距離）對樣品表面進行成像。

根據探針與樣品相互作用的不同物理場，將掃描探針顯微鏡分成不同系列的顯微鏡。掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）是兩種掃描探針顯微鏡。掃描隧道顯微鏡(STM)通過測量探針和樣品之間的隧道電流來檢測樣品的表面結構。AFM通過光電位移傳感器檢測探針與樣品之間的相互作用力（吸引力或排斥力）引起的微懸臂梁變形。

掃描探針顯微鏡

掃描探針顯微鏡的特點：

除了場離子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡外，掃描探針顯微鏡是在場離子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡后，在原子尺度上觀察物質結構的第三類顯微鏡。以掃描隧道顯微鏡（STM）為例，其橫向分辨率為0.1~0.2nm，縱向深度分辨率為0.01nm，可以清晰地觀察到分布在樣品表面的單個原子或分子。同時，在空氣、其他氣體或液體環境中也可以觀察到掃描探針顯微鏡。

掃描探針顯微鏡具有原子分辨率、原子輸運、納米微加工等特點，但由于各種掃描顯微鏡的工作原理不同，其結果反映了樣品表面的不同信息。掃描隧道顯微鏡(STM)測量樣品表面的電子工位的分布信息，該信息具有原子分辨率，但仍不能獲得樣品的真實結構。原子顯微鏡檢測原子間相互作用的信息，從而獲得原子在樣品表面排列的信息，這是樣品的真實結構。另一方面，原子力顯微鏡無法測量與理論相比較的電子狀態信息，因此它們各自具有較短的長度。

掃描探針顯微鏡控制技術：

SPM的控制需要克服壓電驅動器的遲滯、蠕變和振動特性，實現水平面掃描軌跡的跟蹤和垂直面上探針與樣品表面距離的精確控制。

掃描探針顯微鏡

1、水平方向控制

水平方向控制使得探頭能夠通過控制壓電致動器在樣品表面上完成重復的光柵掃描，即，在X軸上重復地和快速地跟蹤三角波軌跡，并且在Y軸上相對緩慢地跟蹤斜率軌跡。水平方向控制使SPM探頭能夠在樣品表面快速準確地跟蹤掃描軌跡，從而實現SPM的高速掃描精度和掃描速度。

2、豎直方向控制

掃描探針顯微鏡的垂直方向由壓電致動器控制，以控制探針和樣品表面之間的距離，使得探針和樣品表面之間的物理相互作用是最穩定的(或者探針和樣品表面之間的距離以固定值穩定)。垂直定向精度直接影響SPM和納米操作的成像精度，定位速度影響SPM的成像速度。

樣品的表面輪廓是unknown。探針與樣品之間的相互作用非常敏感，相互作用非常復雜，這使得難以在垂直方向上實現快速而準確的定位。掃描探針顯微鏡垂直方向控制的功能是在克服上述問題的基礎上，實現探針在垂直方向上的準確、快速定位。

3、MIMO控制

掃描探針顯微鏡控制器需要同時控制水平掃描和垂直定位。水平平面x軸的高速運動會引起軸向振動，水平高速掃描也會引起探頭與樣品之間的垂直振動。耦合引起的定位誤差嚴重影響SPM的成像質量，甚至損壞探針和掃描樣品。