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扫描探针显微镜/SPM(原子力显微镜)
显微分析历程

    人的眼睛不能直接观察到比0.1mm更小的物体的结构细节。借助于光学显微镜,人们可以看到像细菌、细胞那样小的物体,但是由于光波的衍射效应,使得光学显微镜的分辨极限只能达到光波的半波长左右,可见光的最短波长约为0.4μm,所以光学显微镜的极限分辨本领是0.2μm。为了观察更微小的物体,必须利用波长更短的波作为光源。电子波长为0.005nm左右,比可见光的波长小十几万倍,因此电子显微镜的分辨率比光学显微镜高很多。近代高分辨率透射电镜的分辨率可达0.1nm。
    与光学显微镜和电子显微镜完全不同, 扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)不采用任何光学或电子透镜来成像,而是利用尖锐探针在表面上方扫描来检测样品的一些性质。不同类型SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖-样品相互作用方式的不同。主要可以分为两大类:扫描隧道显微镜和扫描力显微镜。

扫描探针显微镜简介

    扫描探针显微镜(SPM)是一项突破性的新技术。它是利用带有超细针尖的探针逼近样品,并采用反馈回路控制探针在距表面纳米量级位臵扫描,获得其原子以及纳米级的有关信息图像,从此揭开了人类原位观察物质表面原子的排列状态和实时地研究与表面电子有关的物理、化学性质的历史。
    SPM是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM,磁力显微镜MFM等等)的统称,是国际上近年发展起来的表面分析仪器,是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

扫描探针显微镜特点与局限性

    一、特点
    1、分辨率高
    2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像,可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。
    3、可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是体相或整个表面的平均性质。
    4、可在真空、大气、常温等不同环境下工作,甚至可将样品浸在水和其它溶液中,不需要特别的制样技术,并且探测过程对样品无损伤。
    5、配合扫描隧道谱,可以得到有关表面结构的信息,例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
    6、在技术本身,SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点,同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。
    二、局限性
    1、考察物质性质时,SPM空间分辨率较低;
    2、借助其它技术手段在,难以绝对定量物质的性质;
    3、获取数据速率较慢;
    4、难以快速的控制原子,分子的结构。

与其他显微镜技术的比较
显微技术分辨率工作环境
样品环境
温度对样品
破坏程度
检测深度
扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空室温或低温100μm量级
透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)
晶格分辨(0.1~0.2nm)
高真空室温接近SEM,但实际上为样品厚度所限,一般小于100nm
扫描电镜6~10nm高真空室温10mm(10倍时)1μm(10000倍时)
场离子显微镜原子级超高真空30~80K原子厚度

 

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