扫描探针显微镜：基本原理与应用

扫描探针显微镜的工作原理如图3-42所示，即针尖和样品之间进行相对移动（扫描），有时是针尖移动，有时是样品移动。利用反馈原理使针尖和样品之间的距离保持固定，通过改变针尖的性质来测量样品表面的不同性质，从而形成不同的显微技术。表3-6列出了扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术各项性能指标的比较。

图3-42　扫描探针显微镜的工作原理

表3-6　扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术各项性能指标的比较

1.扫描探针显微镜的优点

（1）扫描探针显微镜具有极高的分辨率，可轻易地看到“原子”，这是一般的电子显微镜难以达到的，如扫描隧道显微镜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。

（2）扫描探针显微镜得到的是实时、真实的样品表面的高分辨率三维图像，可用于表面扩散等动态过程的研究，而不同于某些分析仪器是通过间接或计算的方法来推算样品的表面结构。

（3）扫描探针显微镜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。(www.xing528.com)

（4）扫描探针显微镜的使用环境宽松，适用于各种工作环境下的科学实验，不需要特别的制样技术，且探测过程对样品基本无损伤。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测量。

（5）配合扫描隧道谱（STS）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。

2.扫描探针显微镜的缺点

（1）扫描速度慢。由于扫描探针显微镜的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。

（2）扫描范围小，受到压电陶瓷伸缩范围的局限，扫描探针显微镜的最大扫描范围在几十至数百微米之间，有时无法满足分析测试需要（如工业生产）。

（3）定位精度有限。由于压电陶瓷在保证定位精度前提下运动范围很小，而机械调节精度又无法与之衔接，故不能做到如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。

（4）扫描探针显微镜对样品表面粗糙度有一定要求。由于扫描探针显微镜中广泛使用的是管状压电扫描器，其垂直方向的伸缩范围要比平面扫描范围小一个数量级。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。

（5）探针锐度对成像的影响。扫描探针显微镜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像的失真。

总之，扫描探针显微镜使人类在纳米尺度上能够观察和改造世界，目前已广泛应用于教学、科研及工业领域，特别是半导体集成电路、光盘工业、胶体化学、医疗检测、存储磁盘、电池工业、光学晶体等领域，并逐步进入食品、石油、地质、矿产及计量领域。