扫描探针显微镜（SPM）的基础知识

什么是扫描探针显微镜（SPM）？

扫描探针显微镜（SPM）是一种能够在纳米尺度上观察样品表面不规则的显微镜，探针锋利如针。

它通常在高真空环境下用于清洁样品表面，但也可以在大气中使用。 最近，开发出一种可用于液体的材料。

扫描探针显微镜有多种类型，包括扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等。 据说STM通过捕捉每个原子，对纳米结构科学和技术的发展做出了巨大贡献，发明者于1986年获得诺贝尔物理学奖。

扫描探针显微镜（SPM）应用

扫描探针显微镜可以观察纳米级的表面，因此用于观察半导体、玻璃和液晶等表面条件，以及测量粗糙度。

具体观察对象包括有机化合物中硅单晶和苯基的原子排列。 它还能观察和操作生物样本的DNA，如微生物、细菌和生物膜。

扫描探针显微镜是20世纪80年代开发的新显微镜，但原子级观察技术的发展非常显著，能够测量摩擦力、粘弹性和表面势能的模型已经开发出来，其应用范围也在迅速扩展。 液体测量也被用于电化学和生物化学等领域，以便实现更真实的状态测量。

扫描探针显微镜（SPM）原理

学习AFM和STM的原理，这些原理在扫描探针显微镜中非常常见。 探针的尖d端如细针般扫描样品表面，获取图像和定位信息。 细探针在原子层面扫描，不适合测量异常过大的样品。

1. 扫描隧道显微镜（STM）

STM利用了从金属探针尖d端向样品方向的隧道电流强度对绝缘体厚度（即中间真空）敏感的事实。 通过逐个分解材料表面上的原子，可以以高分辨率（区分相邻两点时最短距离）准确测量样品表面的局部高度。 此外，探针还扫描样品表面，观察原子尺度上的不均匀图案。

探针使用钨或铂金，尖d端尖锐。 当探头和样品靠近到电子云两侧重叠，并施加小偏压电压（用于确定直流电工作点以放大放大器微小信号的电压）时，隧穿效应会产生隧穿电流。

STM使金属探针在样品表面水平移动（X，Y），并控制探针与样品（Z）之间的距离，以确保隧道电流始终恒定。 通常，能够以低于单个原子大小精度控制距离的压电元件执行垂直运动并检测单个原子之间的相互作用。 因此，STM在三维空间内具有原子分辨率。 压电元件是被动元件，利用一种称为压电效应的现象，即在施加压力时产生电压。

2. 原子力显微镜（AFM）

AFM测量探针与样品表面之间微观原子力（作用于化学上未键原子的弱内聚力）之间的差值，并通过扫描表面观察表面。 无论有机物还是无机物，它也能在绝缘体和生物样品中观察到，因此具有广泛的应用。 通过应用AFM技术，开发了多种模型来测量摩擦力、粘弹性、介电常数和表面势能。

连接在悬臂顶端的探针与样品表面施加小力接触。 表面形状通过水平扫描（X，Y）成像，同时反馈控制探针与样品之间的距离（Z），以确保施加在悬臂梁上的力（偏转）保持恒定。

 扫描探针显微镜（SPM）附加信息