什么是掃描探針顯微鏡 (SPM)？

什么是掃描探針顯微鏡 (SPM)？

掃描探針顯微鏡（SPM）是一種使用針尖探針觀察納米尺度表面不規則性的顯微鏡。

常在高真空下使用，以清潔樣品表面，但也可在空氣中使用。最近，還開發出了可用于液體的產品。

掃描探針顯微鏡有許多不同類型，包括掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）。 STM能夠捕獲單個原子，其發明者因對納米結構科學技術進步做出的巨大貢獻而榮獲1986年諾貝爾物理學獎。

掃描探針顯微鏡 (SPM) 的應用

掃描探針顯微鏡可以觀察納米量級的極精細表面，因此用于觀察半導體、玻璃、液晶等的表面狀況和測量粗糙度。

具體觀察對象包括硅單晶的原子排列和有機化合物的苯基。還可以觀察和操作微生物、細菌和生物膜等生物樣品的 DNA。

掃描探針顯微鏡是20世紀80年代開發的新型顯微鏡，但原子級觀察技術的發展令人矚目，可以測量摩擦力、粘彈性和表面電位的模型也已開發出來，其應用領域正在不斷擴大迅速。液體測量還應用于電化學和生物化學等領域，使得測量更接近實際環境的條件成為可能。

掃描探針顯微鏡（SPM）原理

我們將解釋掃描探針顯微鏡中常用的 AFM 和 STM 的原理。通過用細針狀探針的尖 掃描樣品表面來獲取圖像和位置信息。由于探頭較細并且在原子水平上進行掃描，因此不適合測量不規則性較大的樣品。

1. 掃描隧道顯微鏡（STM）

STM 利用了這樣一個事實：從金屬探針 向樣品發射的隧道電流的強度敏感地取決于它們之間稱為真空的絕緣體的厚度。可以以高分辨率精確測量樣品表面的局部高度，從而可以單獨解析材料表面上的原子（彼此相鄰的兩點之間的最短距離）。此外，通過用探針掃描樣品表面，可以觀察原子尺度上的不均勻圖案。

探頭由鎢或鉑制成，帶有尖頭。當探針和樣品足夠接近，兩個電子云重疊，并施加微小的偏置電壓（用于確定放大器小信號放大的直流電工作點的電壓）時，會產生隧道電流達到隧道效應。

在STM中，金屬探針在樣品表面水平（X、Y）移動，并且反饋控制探針與樣品之間的距離（Z）以保持隧道電流恒定。通常，單個原子之間的相互作用是通過使用壓電元件的垂直運動來檢測的，壓電元件的距離可以以小于單個原子尺寸的精度控制。因此，STM在三個維度上具有原子分辨率。壓電元件是利用壓電效應的無源元件，當施加壓力時會產生電壓。

2. 原子力顯微鏡（AFM）

AFM 測量探針和樣品表面之間的微小原子力（非化學鍵合的原子之間作用的弱內聚力）的差異，并通過掃描觀察表面。它具有廣泛的用途，因為它可以用來觀察絕緣體和生物樣品，無論它們是有機的還是無機的。已經開發出多種應用 AFM 技術來測量摩擦力、粘彈性、介電常數和表面電位的模型。

使用微小的力使連接到懸臂 的探針與樣品表面接觸。探頭和樣品之間的距離 (Z) 受到反饋控制，以保持作用在懸臂上的力（偏轉）恒定，同時水平掃描 (X、Y) 以對表面形狀進行成像。