掃描探針顯微術(shù)技術(shù)專題-本原CSPM系列儀器原理介紹
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? ? ? ?自從1933年德國Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、場電子顯微鏡（FEM ）、場離子顯微鏡（FIM）、低能電子衍射（LEED）、俄歇譜儀（AES）、光電子能譜（ESCA）、電子探針等。這些技術(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研究中起著重要的作用。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會存在這樣或那樣的局限性，例如，LEED及X射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡和SEM的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨TEM主要用于薄層樣品的體相和界面研究，F(xiàn)EM和FIM只能探測在半徑小于100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)復(fù)雜，可用來作為樣品的研究對象十分有限；還有一些表面分析技術(shù)，如X射線光電子能譜(ELS)等只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息；有的技術(shù)只能獲得間接結(jié)果，還需要用試差模型來擬合。此外，上述一些分析技術(shù)對測量環(huán)境也有特殊要求，例如真空條件等。
? ? ? ?1982年，國際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實驗室的葛·賓尼（Gerd Binnig）博士和?！ち_雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,以下簡稱STM）。它的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎。
? ? ? ?在STM出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)，包括原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,以下簡稱AFM）、橫向力顯微鏡（Lateral Force Microscope,以下簡稱LFM）等，這類基于探針對被測樣品進(jìn)行掃描成象的顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope,以下簡稱SPM）。
? ? ? ?與其它表面分析技術(shù)相比，SPM所具有的獨特優(yōu)點可歸納為以下五條：
1、原子級高分辨率。如STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達(dá)0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子，具有原子級的分辨率。圖1比較了SPM與其它顯微技術(shù)的分辨率。
圖1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術(shù)的分辨本領(lǐng)范圍比較
HM：高分辨光學(xué)顯微鏡； PCM：相反差顯微鏡； (S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；
FIM：場離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡
2、可實時地得到實空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。這種可實時觀測的性能可用于表面擴(kuò)散等動態(tài)過程的研究。
3、可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個表面的平均性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。
4、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，并且探測過程對樣品無損傷。這些特點適用于研究生物樣品和在不同試驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。
5、配合一些新的衍生技術(shù)，掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等；力-距離曲線技術(shù)，可以得到樣品表面的微觀力學(xué)性能及樣品與探針間的納米尺度的相互作用力信息。
如果將應(yīng)用范圍較接近于SPM的電子顯微鏡、場離子顯微鏡與其作一簡略比較（見表1），就可對STM儀器的特點及優(yōu)越性有一清晰的認(rèn)識。
表1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術(shù)的各項性能指標(biāo)比較
? ? ? ?此外，在技術(shù)本身，SPM具有的設(shè)備相對簡單、體積小、價格便宜、對安裝環(huán)境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣容易、檢測快捷、操作簡便等特點，同時SPM的日常維護(hù)和運行費用也十分低廉，因此，SPM技術(shù)一經(jīng)發(fā)明，就帶動納米科技快速發(fā)展，并在很短的時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。