什么是扫描探针显微镜?

扫描探针显微镜(SPM)是一种用物理探针而不是光来观察样品表面的方法。这提供了光学显微镜无法获得的丰富信息。SPM的原子分辨率通常可以分辨亚纳米的特征，甚至超过了扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等先进技术。

这篇博文将更详细地概述SPM的工作原理和应用。bob综合app官网登录

SPM是什么?

任何扫描探针显微镜(SPM)的核心都是这种微型物理探针，它有一个非常锋利的纳米级尖端，可以与样品相互作用。有许多不同类型的SPMs，而正是这种提示-样本交互的性质将它们区分开来。

扫描隧道显微镜(STM)，首次开发于1982年，被认为是第一种形式的SPM。在STM中，物理传感探头是一根细线，经过切割或蚀刻形成非常锋利的尖端。SPM光栅的压电扫描仪在样品表面扫描这个尖端。STM通过测量针尖和样品之间的隧穿电流来感知表面。电流的测量范围从小于1皮安培到几个纳米安培，并随尖端样品距离呈指数变化，这使它成为一个非常灵敏的传感器。然而这种相互作用设置了STM的一个主要缺点-样品必须是导电的。

1986年，随着原子力显微镜(AFM)的发展，这一限制得到了解决。AFM用微机械探针取代了STM的线探针，通常由光刻和硅片蚀刻形成。

AFM探针由一个毫米级的“芯片”组成，“芯片”附着在一个悬臂上，悬臂通常是矩形的，长度小于200微米，宽几十微米。在这个悬臂的最末端，一个非常尖锐的点(“尖端”)向下延伸几微米，并在一个半径在10纳米量级的细点上终止。这个悬臂形成了一个弹簧，当顶端接触到样品表面时，弹簧会弯曲。这种弯曲可以被AFM检测到，最常见的方法是在悬臂的背面反射一个激光，并使用分裂光电二极管探测器测量反射光斑的运动。虽然与STM的原理不同，这种悬臂式AFM探测器对尖端样品的位置也非常敏感。

SPM工作原理

在非常基本的层面上，SPM的概念类似于电唱机的触控笔在唱片上追踪沟槽的方式。SPMs图像样本通过光栅来回扫描尖端样品，一行一行，同时在垂直方向向下扫描图像区域减慢扫描速度。

SPM的典型成像区域可达100微米或几纳米。传统的定位技术随后就不适合了，因为它们产生的运动规模可能比所需的大几个数量级。相反，压电晶体用于定位样品的SPM。当电场偏压时，这些陶瓷材料会膨胀，产生微尺度的运动。

SPM操作模式

SPM的主要优点之一是其无数的操作模式，因为不同类型的提示-样本交互提供了关于样本的不同信息。最常见的SPM模式是扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。AFM可以进一步细分为两大工作模式组，接触模式技术和动态模式技术。

在接触模式下，尖端与样本接近，直到它接触到样本，此时悬臂开始向上弯曲。尖端对样品的推力越大，悬臂就越弯曲。位置敏感光电探测器连续测量悬臂梁挠度作为一个函数的反射激光。电子反馈回路监测这一偏转，并上下移动针尖以保持偏转(因此针尖-样品相互作用力)恒定，因为针尖是光栅扫描整个样品。这种垂直运动被记录为样品表面的地形。因为针尖和样品是不断接触的，这个力会使AFM针尖变钝，甚至损坏样品表面。接触模式后来很少被使用，除了AFM尖端作为纳米级电极在成像时测量电性能的各种相关模式。

动态AFM模式的发展，以减少潜在的针尖和样品损伤。这类模态通常被称为“交流模态”，因为悬臂在其共振频率附近振动，导致它以正弦运动上下移动尖端。当尖端与样品表面接触时，这种运动因吸引或排斥相互作用而减弱。与接触模式下测量悬臂梁的准静态挠度不同，交流模式测量的是这种运动的振幅。类似于接触模式，这个振幅被一个反馈回路跟踪和监测，以跟踪样品的形貌。因此，探针在扫描时间歇性地接触样本，这导致了它的另一个常用名称，“轻敲模式”。这种AFM工作模式是现代AFM最常用的模式，因为它在针尖和样品上都更温和，但仍然能够像接触模式一样好甚至更好的分辨率。

庇护研究中心的AFM技术

庇护研究是AFM学术研究和工业研究与发展的主要权威机构之一。我们提供创新系列的原子力显微镜(AFMs)，具有专门的系统用于不同的操作领域，包括Cypher、MFP-3D和Jupiter AFMs，可以在相同的纳米尺度分辨率下测量电子、机械和功能特性。

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