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1、实验报告 课程名称电镜技术成绩 姓名学号实验日期2013.4.24 实验名称扫描探针显微镜指导教师 一、 实验目的与任务 1.了解扫描电镜的发展历程及分类 2.学习并了解扫描探针显微镜的结构及原理 3.掌握扫描探针显微镜的操作步骤 4.了解扫描探针显微镜的应用 二、 实验基本原理 1.扫描探针显微镜的发明背景 1982 年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛 宾尼博士和海 罗雷尔博士及其同事们共 同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, 以下简称STM） 。 在 STM 出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微
2、技术，包括原子力显 微镜（ Atomic Force Microscope, 以下简称AFM） 、横向力显微镜（Lateral Force Microscope,以 下简称LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜 （Scanning Probe Microscope,以下简称SPM） 。 2.STM概述 （1） STM 出现的意义 STM 的出现使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电 子行为有关的物理、化学性质。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵向优 于 0.01nm） ，能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对
3、原子和分子进行操纵，从而将 人类的主观意愿施加于自然。可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。 （2）STM的优点 具有原子级高分辨率；可实时地得到在真实空间中表面的三维图象；可观察单个原子层的 局部表面结构；可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，并且 探测过程对样品无损伤；配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy) 可以得到有关 表面电子结构的信息；利用针尖可以搬迁和操纵单个原子。 （3）STM 的局限性 在 STM 的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测， 与此相关的分辨率较差。S
4、TM 所观察的样品必须具有一定程度的导电性。 （4）STM的基本原理 将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接 近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电 极。隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电 流即增加约一个数量级。因此， 根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起 伏变化的信息，如果同时对x-y 方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这 就是扫描隧道显微镜的工作原理。 （5）STM的基本结构 STM 仪器由具有减振系统的STM 头部 (含探针和
5、样品台)、电子学控制系统和计算机组 成。 （6）STM的应用 扫描图像；操纵单一分子或原子；. I-V 曲线测定、信息存储。 3.AFM 概述 （1）AFM 原理及结构 AFM 的装置和STM一样， AFM 也有：振动隔绝系统；机械系统；针尖系统；电子系统 和计算机系统几个大的部分组成。 （2）AFM 的应用 纳米材料的形貌测定；纳米尺度的物性测量；生物材料的研究；纳米结构加工。 4.SPM概述 （1）SPM的原理 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。 （2）扫描探针显微镜（SPM
6、）与其他显微镜技术的各项性能指标比较 三、 实验方法与步骤 1. 打开气瓶给防震气垫充气，打开稳压电源，打开主机和计算机电源 2. 打开操作程序，选择相应的测量模式 3. 安装探针支架和样品 4. 打开四象限检测器，天界激光位置和强度至最佳，激光全部打到微悬臂上 5. QCurve 测量 6. 下针 7. 选择扫描的相应图像模式 8. 观察扫描的非线性 9. 开始扫描 10.退 针，取支架及样品 11.对 图像进行保存，对图像的粒径、表面情况选择相应软件进行分析 12.退出操作系统，关闭主机，计算机，稳压电源，气瓶 四、 实验结果及数据处理 此图扫描事业面积为2 m 2m,图中棕黄色的部 分代
7、表为平整的硅板面，金黄色的点状部分代表堆 积的锗粒子，点越亮代表锗粒子堆积的高度越高， 反之则越低。 此图所示为立体三维图 如 此 图 所 示 ， 样 品 中 该 锗 粒 子 上 下 两 边 的 高 度 分 别 为 ： Z1=10.37531nm ， Z2=17.32571nm ，高度差Z=6.950402nm，两点间距离为32.39466nm ，两点间角度差为 12.10945 ； 左 右 两 边 的 高 度 分 别 为Z1=10.00725nm ， Z2=10.25314nm ， 高 度 差 Z=0.245891nm，两点间距离为65.05928nm，两点间角度差为0.216548。 所以
8、，该锗粒子的直径约为65.05928nm，高度约为32.39466nm 。 同时，此图有关的值： Ra 平面光洁度2.395E+00 nm P-V 最大高低差2.669E+01 nm RMS 均方面光洁度3.045E+00 nm RZ 10 点平均光洁度1.983E+00 nm S 表面积4.090E+06 nm2 S Ratio 表面力矩1.00758 Ra 断面中心线平均光洁度6.036E+01 nm P-V 最大高低差0.000E+00 nm L 测定长度8.238E+02 nm c cut off 值 4.570E+01 nm a 平均倾斜角1.072E+01 Histogram Z 值范围的频率分布1.18 Bearing Ratio Z值的最大值到Z值分布的累 积频率分布19.68