掃描隧道顯微鏡STM(scanning tunneling microscopy, STM) 于1982 年, 由IBM 瑞士蘇黎世實驗室的科學家Binning 等發明。STM的原理是利用針尖和樣品之間的隧道電流對樣品表面進行表征。所以理論上它只適用于導電樣品,因而限制了其應用范圍。但實際上,也可以在金屬襯底表面生長超薄的絕緣體薄層, 使電子透過絕緣體薄層而達到研究絕緣體表面的目的。
STM測量的是反饋回路電流的大小,并據此控制針尖和樣品的距離,因而有恒流和恒高兩種工作模式, 恒流模式下得到的是表面形貌的圖像, 恒高模式下得到的是隧穿電流大小的空間分布,兩種模式都可以給出樣品表面結構的信息。 原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM) 于1986 年,由 Binnig, Quate 和 Gerber 三位科學家共同發明。AFM的原理是利用柔性懸臂梁感知針尖和樣品之間的相互作用力,對樣品的導電性沒有要求,因而適用范圍大大拓展。在實際應用中,兩者的共同點卻也顯而易見 有一種廣泛用于高校和科研院所的精密儀器,叫做“掃描探針顯微鏡(scanning probe microscopy, SPM)”,在作儀器采購計劃時,你可以根據自己的需要選購不同的模塊。除了基本的配置STM,AFM外,還有靜電力顯微鏡,磁力顯微鏡,掃描電化學顯微鏡等不下十種模塊可選。這像不像組合套裝的螺絲刀,把手一個,刀頭則可隨心配。 確實,SPM的各個工作模塊都基于同一套控制系統,由一個可三維移動的壓電陶瓷組精確控制探針針尖在樣品表面的掃描。不同之處在于所選用的探針不同。 STM采用金屬絲拉制的探針;AFM采用商品化的硅或氮化硅懸臂探針;磁力顯微鏡選擇磁化的探針,等等。探針的性質不同,針尖與樣品之間的作用力當然也不同啦。 依上所言,該能想到吧,此顯微鏡可不止高分辨成像這項絕技。除能在三維空間“摸”出原子、分子級別的形貌像,也不能放過其采集針尖與樣品間極微小的“納牛”、“皮牛”量級作用力的能力。例如,測量DNA分子解螺旋的過程;通過針尖修飾,測量單個抗原/抗體分子間的作用力。只要充分發揮想象力,其在各個學科中的獨特作用不可限量。
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