扫描探针显微镜(SPM)及其应用,本原纳米仪器有限公司 E-mail：,扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscopes, SPM）,本原CSPM-2000系列扫描探针显微镜 集成了扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和横向力显微镜(LFM) 技术指标 分辨率: 0.1nm量级(原子级分辨率) 最大扫描范围: 100um X 100um,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,基本原理,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,利用压电材料，将电压转变为位移，控制探针在纳米级的距离上对被测样品的表面进行扫描，同时记录扫描过程中探针和样品的相互作用，从而得到样品的表面信息。
极高的可控空间定位精度 (优于0.1nm量级),SPM 的技术核心:,极高的分辨率 (可达原子级分辨),极高的操纵和加工精度 (可实现单原子操纵),,SPM不但是纳米科技的锐利眼睛， 而且是纳米科技的灵巧手指!,,,,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM技术,经过20年的发展，迄今SPM家族已经包括了20多种仪器，并且一直还在发展之中SPM应用于各学科研究时所遇到的各种现象和问题及其解决，推动着新的SPM仪器的发明和完善，而且，SPM技术与其他技术的结合，产生了许多新技术和新发现扫描探针显微镜(SPM)主要包括扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM),STM 控制探针在样品表面进行扫描,通过检测扫描过程中探针和样品表面局域间的隧道电流得到样品表面的信息 AFM 控制探针在样品表面进行扫描,通过检测扫描过程中探针和样品表面局域间的作用力得到样品表面的信息,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,二种最常用的SPM技术,,原子级高分辨率。
如STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率 可实时地得到实空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这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究 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因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等 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这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)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 具有纳米操纵和纳米加工功能，可对样品交替进行表面原位检测和修饰等 此外，在技术本身，SPM具有的设备相对简单、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,SPM的独特优点,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,表1. 扫描探针显微镜（SPM）与其他 显微镜技术的各项性能指标比较,图1. 扫描探针显微镜(SPM)与其他 显微镜技术的分辨本领范围比较 HM:高分辨光学显微镜； PCM:相反差显微镜； (S)TEM:(扫描)透射电子显微镜； FIM:场离子显微镜； REM:反射电子显微镜,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,扫描探针显微镜与其他显微镜技术性能指标比较,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,扫描探针显微镜的些局限性,由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制，检测效率较其他显微技术低 由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（目前难以突破100um量级），而机械调节精度由无法与之衔接，故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难 目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级，扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围，则会导致系统无法正常工作甚至损坏探针。
因此，扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求 由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此，探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成象的失真（采用探针重建可以部分克服）,SPM 的应用:,石墨晶体的STM原子象 白春礼,科学通报,34(5),399(1989) Chunli Bai,Chinese Science Bulletin,34(15),1318(1989) 本原仪器结果,云母的AFM象 吴浚瀚,白春礼等, 科学通报, 38(10),790(1993) Junhan Wu, Chunli Bai, et. al., Chinese Science Bulletin, 38(19),1621(1993) 本原仪器结果,AFM image of Porous Alumina Membranes Yu-Guo Guo, Li-Jun Wan, Jian-Ru Gong, Chun-Li Bai, Phys.Chem.Chem.Phys., 2002, 4, 3422-2424. 本原仪器结果,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,DNA的三链结构 STM Images of DNA 白春礼, 叶坚等, 科学通报，35（24），1841（1990） C.Bai, J.Ye, et al., Chinese Science Bulletin, 36(4),345(1991) 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,pBR322 DNA的AFM象 张平城, 白春礼等, 中国科学（B辑）, 25（7）, 716(1995) 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,烟草花叶病毒(MTV)的AFM象 张平城, 白春礼, 成英俊, 吴浚瀚等, 动物学研究, 14,38(1993) Pingcheng Zhang, Chunli Bai, Junhan Wu et al., The 3rd National Symposium on STM/STS, Beijing, China, February, 16-17(1993),P.42 本原仪器结果,,黝锡矿(110)解理面的STM象 廖立兵, 施倪承, 马哲生等, 科学通报, 37(21),1986(1992) Liao Libing, Shi Nicheng, Ma Zhesheng et al., Chinese Science Bulletin, 38(5), 404(1993) 本原仪器结果,辉钼矿(0001)面的STM象 廖立兵, 施倪承, 马哲生等, 科学通报，36（8），606（1991） Liao Libing, Shi Nicheng, Ma Zhesheng et al., Chinese Science Bulletin, 36(23), 1989(1991) 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,自然金（110）面的STM象 廖立兵,马晓霞,马哲生等,矿物岩石,15（2）1（1995） 廖立兵,马晓霞,马哲生等,地球科学-中国地质大学学报, 2(1),37(1997) 本原仪器结果,a.铁质宇宙尘亚微米尺度的STM象 b.宁波铁陨石线切割碎片纳米尺度的STM象 周瑶琪，柴之芳，徐英庭等，岩矿测试，15（1），1（1996） 本原仪器结果,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM 的应用:,SPM 的应用:,Xenon atoms on the Ni(111) surface. (Each letter is 5nm from top to bottom) Eigler,D.M.,Schweizer,E.K., Nature,1990,344,524.,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM 的应用:,在Si(111)表面进行的原子操纵和纳米加工, 组成“中国”字样。
线宽为1.0纳米字的大小约30nm见方 （中科院物理所北京真空物理开放实验室提供）中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,在Si(111)表面利用AFM进行纳米加工(场致氧化刻蚀) 本原仪器结果,电压 7500mV 脉冲宽度 3ms,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,在Si(111)上以氧化法进行纳米加工 宫建茹,万立骏,白春礼, 大学化学, 1(7),14(2003). 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,浸笔印刷术(DPN)在金基底上二硫醇的摩擦力图像 宫建茹,万立骏,白春礼, 大学化学, 1(7),14(2003). 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,超高密度数据存储 存储密度为1013bits/cm2., 是当今传统技术所得到的存储密度(108bits/cm2)的一百万倍。
The data storage on NBMN-pDA thin films. Gao et al., Phys.Rev.Lett., 84(2000), 1780 本原仪器结果,SPM 的应用:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,By applying negative voltage pulses (-4.5V/50us), on the STM tip,the recorded marks were successfully erased. Gao et al., Phys.Rev.Lett., 84(2000), 1780 本原仪器结果,上述结果被APS评选当时“最值得读的一篇文章(physical review focus)”，并称其为“奔向下一代的CD (toward the next generation CD)”.,SPM 的应用:,Science杂志副刊Science News对此进行了专题报道,美国能源部称此项成果 “可将美国国会图书馆存放在一张光盘上”.,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,SPM 的应用总结:,,,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,方便有效的表面成像工具,SPM的诞生使人类第一次从真正意义上看见原子。
二十年来，随着SPM家族的不断庞大以及新的检测技术不断出现，SPM成为从纳米到微米多方位获取材料表面信息的有力手段其中包括： 用于表面实形貌成像的STM、AFM以及SNOM； 用于表面电流密度像和扫描隧道谱的STM和电流检测AFM； 用于表面电场分布状况测绘的EFM； 用于表面微区磁筹分布测绘的MFM等微区表面化学物理的崭新方法,基于探针悬臂弹性力测量基础上的AFM微测试方式，使纳米尺度上两个不同表面的局域之间的作用力研究变得非常方便将原子力显微镜的探针尖端利用化学修饰的方法固定上某些特殊基团，利用探针与样品之间作用力对识别基团的的敏感性,使得材料表面官能团识别成为可能,并由此派生出一门“细致入纳”的学科“探针化学” 样品的表面上有什么样的分子？如何去识别它们？它们之间的相互作用状况是怎样？在微观尺度上这些分子是否表现出宏观的化学物理特性？在纳米尺度上研究许多使科学家感兴趣的问题在AFM发明之后成为可能SPM 的应用总结:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,超高密度信息存储的极有前景的方法,科学家将SPM这一纳米尺度加工和检测工具用于写-读-擦超高密度信息存储研究,以求突破传统方法在存储密度上的极限。
通过在特殊构筑的基片上施加负载特定信号的电脉冲，或者在隧道电流激励下，使用近场光等其它方法，改变存储介质化学物理性质，从而实现信号的可读取记录尽管读写速度和寻找合适的记录介质一直是制约SPM信息存储发展的瓶颈，SPM仍然被认为是极有前途的超高密度信息记录方式SPM 的应用总结:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,研究低维量子器件和纳米电子学的试验工具,低维量子器件的构筑及单电子现象的研究开辟了SPM的另两个极为重要的应用方向 基于SPM的刻蚀技术以及SPM系统为手段进行的单电子现象研究和器件构筑 SPM刻蚀：利用STM或AFM的探针，在探针和样品之间施加足够的作用力，或者在探针和基底之间施加一定的电脉冲，均可以使基底的表面形貌或内部电子结构发生改变根据施加作用方式的不同，SPM刻蚀又分为：机械刻蚀、场致氧化刻蚀、电化学刻蚀、场蒸发刻蚀、热蒸发刻蚀等SPM刻蚀技术为纳米电子学研究提供了丰富的模型结构，例如栅漏电极加工、光开关器件的加工、量子点和量子线的加工等。
SPM刻蚀技术是低维量子器件研究的得力工具 单电子现象和纳米电子学研究：STM或导电AFM作为一种在纳米尺度上获得nA甚至pA以下电流信号的试验工具，被应用于研究库仑阻塞效应、库仑台阶效应等材料的纳电子学特性在纳电子学兴起的过程中，扫描探针显微镜起了举足轻重的作用SPM 的应用总结:,中科院化学所本原纳米仪器公司 E-mail: 100080 北京中关村北一街二号 Tel:(8610)62615063 510700 广州先烈中路80号汇华大厦1910 Tel:(8620)37618250,。