材料學中常用的分析方法第五講-SPM有關(guān)金屬材料的分析手段材料學中常用的分析方法第五講-SPM有關(guān)金屬材料的分析第五講掃描探針顯微鏡(SPM)：掃描隧道顯微鏡,STM

原子力顯微鏡,AFM

磁力顯微鏡,MFM

近場掃描光學顯微鏡,NSOM…第五講掃描探針顯微鏡(SPM)：光學、電子顯微鏡的分辨率極限

Abbe定律在遠場同時成象的條件下，其分辨率d/2:

對光學顯微鏡，500nm;

對電子顯微鏡，0.0035nm(100kV)

克服這一極限的一種方法：SPM類的方法光學、電子顯微鏡的分辨率極限

ScanningProbeMicroscope(SPM)

——中國·北京中科奧納科技有限公司

Nspm-6800型掃描探針顯微鏡(STM/AFM)ScanningProbeMicroscope(SPMScanningProbeMicroscope(SPM)

——中國·上海愛建納米科技發(fā)展有限公司

AJ-III

型原子力顯微鏡(AFM)ScanningProbeMicroscope(SPMSPM:特指80年代以來發(fā)展起來的一類nm量級的超顯微分析手段

典型的SPM(掃描探針顯微鏡)的組成SPM的主要組成部分：

1.超顯微,近距離探針2.微位移掃描裝置3.特定物理、化學特性為探測對象四象限光電探測傳感器SPM:特指80年代以來發(fā)展起來的一類nm量級的超顯微典型SPM的測量物理特性隨距離的變化STM：隧道電流AFM：原子間力SNOM：光通量典型SPM的測量物理特性隨距離的變化STM：隧道電流AFM：SPM的共同特點：

其分辨本領不再受相應物理機制的波長所限，而是取決于探針尖端的尺寸、探針與樣品間的距離。掃描樣品表面,順序成象的方法也使克服Abbe定律的限制成為可能。

如:STM的分辨本領0.1nm

達到/10(電子波長1.0nm)

NSOM的分辨本領30nm

達到/200(可見光長500nm)SPM的共同特點：

其分辨本領不再受相應物SPM技術(shù)的發(fā)展年表（已發(fā)展了20余種SPM)————————————————————方法（年代）進展————————————————————1掃描近場光學顯微鏡的概念(1928)2掃描近場光學顯微鏡概念的重新提出(1956)3掃描聲波“顯微鏡”的原理性實驗(1956)(=14cm)4掃描微波“顯微鏡”的原理性實驗(1972)(=3cm)————————————————————5掃描隧道顯微鏡(1981)導體表面的原子象6掃描近場光學顯微鏡(1982)50nm的光學分辨率7掃描電容顯微鏡(1984)500nm的電容差8掃描熱顯微鏡(1985)50nm的熱成象————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（已發(fā)展了20余種SPM)——————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————9原子力顯微鏡(1986)導體/非導體的原子象10掃描引力顯微鏡(1987)5nm的表面非接觸成象11磁力顯微鏡(1987)100nm磁場梯度分布12摩擦力顯微鏡(1987)表面切向摩擦力場分布13靜電力顯微鏡(1987)原子水平電場梯度分布14非彈性隧道譜顯微鏡(1987)STM中分子的聲子譜15激光激發(fā)掃描隧道顯微鏡(1987)STM中光波的非線性混波成象16激光共聚焦掃描顯微鏡(1987)激光誘發(fā)熒光效應————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————17彈道電子發(fā)射顯微鏡(1988)nm尺度肖特基勢(BEEM)壘特性的探測18逆變光發(fā)射顯微鏡(1988)nm尺度上的熒光譜19近場聲顯微鏡(1989)10nm尺度的低頻聲測量20掃描噪聲顯微鏡(1989)無偏置的隧道顯微鏡21掃描自旋進動顯微鏡(1989)1nm的順磁自旋成象22掃描離子電導率顯微鏡(1989)500nm電解質(zhì)成象23掃描電化學顯微鏡(1989)溶液電化學反應引發(fā)的形貌變化————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————24吸附顯微鏡/吸附譜(1989)1nm尺度的吸收成象與吸收譜25掃描化學勢顯微鏡(1990)原子尺度的化學勢成象26光電壓掃描隧道顯微鏡(1990)10nm的光電壓成象27開爾文探針力顯微鏡(1991)10nm尺度的接觸電勢28無光闌近場光學顯微鏡(1994)1nm分辨率光學成象……————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————1.掃描隧道顯微鏡STMSTM的主要組成部分：

微探針

壓電驅(qū)動器

探測對象：隧道電流1.掃描隧道顯微鏡STMSTM的主要組成部分：

微探掃描隧道顯微鏡STM樣品探針間的隧道電流Iexp(-2kd)

探針高度d

4?時，I

1nA

d增加1?時，I

降低一個數(shù)量級STM的技術(shù)要素1.超顯微,近距離的導體探針2.壓電微位移掃描裝置3.以隧道電流隨探針距離變化為探測對象和反饋機制掃描隧道顯微鏡STM樣品探針間的隧道電流Iexp(金屬樣品與探針表面的能級圖樣品與探針表面兩者的能級圖金屬樣品與探針表面的能級圖樣品與探針表面兩者的能級圖金屬樣品-探針表面間的隧道效應在外場U的作用下，近距離d的探針中將流過一隧道電流

z=d金屬樣品-探針表面間的隧道效應在外場U的作用下，近距離d的STM的顯微探針導體（W,Pt-Ir,Au等），探針頂端的曲率半徑<50nmSTM的顯微探針導體（W,Pt-Ir,Au等），探STM探針的電化學制備方法液面處，陽極金屬被溶解,形成曲率半徑很小的尖端STM探針的電化學制備方法液面處，陽極金屬被溶解,形成曲STM的壓電陶瓷三維筒狀微驅(qū)動器探針被裝置于驅(qū)動器的一側(cè)，被x,y,z三組電極所驅(qū)動

驅(qū)動靈敏度為3nm/V位移精度達0.1?

STM的壓電陶瓷三維筒狀微驅(qū)動器探針被裝置于驅(qū)動器的一側(cè)，STM的兩種工作模式恒電流模式恒高度模式STM可使用不同的信號作為其反饋控制信號STM的兩種工作模式恒電流模式恒高度模式STM可STM的應用：

導體表面的原子排列圖象的直接觀察

導體表面原子動態(tài)過程的監(jiān)測在原子尺度上：在顯微尺度上：

表面顯微結(jié)構(gòu)、形貌的觀察STM的應用：導體表面的原子排列圖象的直接觀察Pt(111)表面吸附CO/CO2后的STM象CO/Pt(111)CO2/Pt(111)Pt(111)表面吸附CO/CO2后的STM象CO/Pt(1I在Au(111)表面吸附的圖象Au(111)的清潔表面I/Au(111)的吸附表面I在Au(111)表面吸附的圖象Au(111)的清潔表面I模擬象重構(gòu)的77-Si(111)表面的STM象STM象模擬象重構(gòu)的77-Si(111)表面的STM象STM象Cu在Au(111)表面的沉積過程

(左)潔凈的Au表面

(右)在Au表面沉積1/3層Cu原子后

CuAu3Cu在Au(111)表面的沉積過程(左)GaAs(2,5,11)表面臺階的STM象臺階邊緣沿著<3,1,–1>方向GaAs(2,5,11)表面臺階的STM象臺階邊緣沿著<3,DislocationswhereBurgersvectorsareperpendiculartothedislocationlines,areedgedislocations.

點陣和位錯的直接觀察ODislocationswhereBurgersvecFeislandson(100)Cumaybefcc.ThenbccFestartstogrowbytransformationofsmallregions(needles).

Cu基底上Fe薄膜中的fccbcc相變OFeislandson(100)CumaybeFor(111)25%Pt-75%Ni,bothtypeofatomscanbedistinguishwithSTM:alternatingchainsofPtandNi

(onsurface,50%ofeach,withthebrighterspeciesasNi)STM:PtNi合金中不同元素的化學襯度←-Ni←-PtNi的電負性1.8，Pt的電負性2.1，即Ni更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>NiFor(111)25%Pt-75%Ni,both

(100)50%Pt-50%Rhalloyshows31%Rh(bright)and69%Pt(darker)atsurface.BothPtandRhtendtoclusterinsmallgroups,andPtRh(100)surfaceismainlypopulatedbythedarkerPt.STM:PtRh合金表面不同元素的化學襯度←-Pt←-Rh電負性上Rh<Pt，即Rh

更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>Ni(100)50%Pt-50%RhalloyshOn95%Ag(notresolved)-5%Pd(whitedots)alloy,Oatoms(blackdots)candiffuse.20slater,someblackOatomschangedtheirposition(redarrows).ThesiteanOatomleavesappearsbright,andthenewpositionanOatomtakeswasalsobright.ThusOatomshavestrongaffinitytoPd.AgPd合金表面氧原子的擴散——化學親和勢OOPdPdPd的電負性2.0，O的電負性3.5，即Pd

更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>NiOn95%Ag(notresolved)-5%POnAllattice(faintgreytexture,leftframe),darkspotsofOatomsareelongated:theyarenotsingleatoms,but2,3ormoreOatoms(yellowdots,rightframe)

Al金屬表面的氧原子團的吸附OOnAllattice(faintgreytext非導體NaCl薄層/Al的STMSTMofultra-thinNaClislandsonAlshowdistancesbetweenatomsof0.4nm,meaningthatweseeonlyNaorCl.

AsCl"borrows“electronsfromthesupportingAl,theymustappearbright.

非導體NaCl薄層/Al的STMSTMofultra-石墨（0001）表面的STM:

兩種原子位置問題

A位置下面有近鄰原子

B位置下面無近鄰原子

石墨的晶體結(jié)構(gòu)

石墨（0001）表面

原子位置的示意圖————石墨（0001）表面的STM:

兩種原子位置問石墨（0001）表面的STM象在此STM象中，A,B兩種原子位置中，只有B類原子是可見的在適當?shù)钠珘合拢琒TM象中所有的A、B原子均是可見的

STM探測的是原子的電子云分布————石墨（0001）表面的STM象在此STM象中，A,B兩不同偏置時，-SiC(100)表面雙列Si原子的STM象(a)V=-2.5V,emptyelectronicstates.(b)V=3.5V,filledelectronicstates.Thetunnelingcurrentwas0.1nA.V.Deryckeetal.rAppliedSurfaceScience162–163(2000)413–418不同偏置時，-SiC(100)表面雙列Si原子的STM象(在不同偏置時GaAs(110)的STM象樣品正偏置時(吸引電子)，觀察到電負性小的Ga的空軌道位置樣品負偏置時(排斥電子)，觀察到電負性大的As的滿軌道位置GaAsAsGa滿軌道空軌道+偏置,Ga-偏置,As在不同偏置時GaAs(110)的STM象樣品正偏置時(Fe-C合金中的片狀貝氏體

——光學顯微鏡象、SEM、STM象分辨率逐步提高Fe-C合金中的片狀貝氏體

——光學顯微鏡象、SETi3Al斷口形貌的SEM與STM象在m與nm量級，圖象顯示出兩圖具有相似性，證明其分形特征Ti3Al斷口形貌的SEM與STM象在m與nm量級，圖象顯小面化的Cu(511)表面的STM小面指數(shù)：(401),(410)和(311)面積：250nm250nm小面化的Cu(511)表面的STM小面指數(shù)：(401),(

STM分辨本領與其他技術(shù)的比較

HM高分辨光學顯微鏡

PCM相差光學顯微鏡

REM反射電子顯微鏡——————OOSTM分辨本領與其他技術(shù)的比較

HM高分辨光學顯微2.原子力顯微鏡AFM1.超顯微、近距離的探針2.壓電微位移掃描裝置3.探針-樣品表面間的vanderWaals力隨距離的迅速變化AFM的技術(shù)要素物質(zhì)間的作用力2.原子力顯微鏡AFM1.超顯微、近距離的探針AFM的技AFM的三種工作模式（按接觸方式分類）contact

F=10-6-10-9Ntappingorintermittentcontact(IC)

non-contactF=10-11N鐵電陶瓷激勵方式物質(zhì)間的作用力OOOAFM的三種工作模式（按接觸方式分類）contact鐵電AFM的三種工作模式（按接觸方式分類）ContactmodemeasurestopographbyslidingprobetipacrosssamplesurfaceTappingmodemeasurestopographbytappingthesurfacewithanoscillatingprobetipNon-contactmodemeasurestopographybysensingvanderWaalsattractivepotential,andprovideslowerresolutionthaneithercontactmodeortappingmodeAFM的三種工作模式（按接觸方式分類）ContactmoAFM的懸臂梁與微探針AFM的懸臂梁與微探針AFM的應用：

導體,非導體表面原子排列的直接觀察在原子尺度上：在顯微尺度上：

各種物質(zhì)表面顯微結(jié)構(gòu)、形貌的觀察AFM的應用：導體,非導體表面原子排列的直接觀察AFM的應用：

——云母表面的原子象不再要求樣品為導體AFM的應用：

——云母表面的原子象不再AFM獲得的Si（111）單晶的77重構(gòu)AFM的原子模型樣品高度掃描AFM獲得的Si（111）單晶的77重構(gòu)AFM的原子模石墨(0001)表面的AFM象在6個C原子的中心處，引力為最大（這時，探針受6個原子作用），而在A、B原子位置處，引力分別較小（受1+4個原子作用）。此時，AFM看到的也并非原子位置W.Allersetal，AppliedSurfaceScience,140（1999）247AFM象模擬象石墨(0001)表面的AFM象在6個C原子的中心處，引力InAs(110)的AFM象陰離子As突出，陽離子下陷，其高度差約為0.07nm。因而一般只看到As離子亞點陣AsAsAsInAs(110)的AFM象陰離子As突出，陽離子下陷，其AFM的應用：

——金屬拋光表面的AFM象nm尺度上測量表面粗糙程度AFM的應用：

——金屬拋光表面的AFM象nm腐蝕過程中黃銅表面的AFM象80%相對濕度中放置(a)192分鐘(b)381分鐘(c)1359分鐘干燥環(huán)境中放置(d)47分鐘腐蝕過程中黃銅表面的AFM象80%相對濕度中放置FeZrB非晶合金表面顯微結(jié)構(gòu)演變的IC-AFM象在電流加熱的情況下，樣品發(fā)生非晶向納米晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，表面出現(xiàn)半球狀突起的形貌J.I.Paredesetal./JournalofNon-CrystallineSolidsxxx(2007)xxx–xxxJ.I.Paredesetal./JournalofNon-CrystallineSolidsxxx(2007)xxx–xxxFeZrB非晶合金表面顯微結(jié)構(gòu)演變的IC-AFM象在電流加熱Al2O3表面臺階的AFM象

非導體,視場大小為33mAl2O3表面臺階的AFM象非導體,視場大小為33電子束光刻的顯微防偽標記的AFM象尺度單位為55m電子束光刻的顯微防偽標記的AFM象尺度單位為55m3.磁力顯微鏡MFM

(與非接觸式AFM相同，但探針為磁性探針)1.超顯微近距離的磁性探針2.壓電微位移掃描裝置3.磁性探針-樣品表面間的磁作用力隨距離的迅速變化MFM的技術(shù)要素3.磁力顯微鏡MFM

(與非接觸式AFM相磁性探針的等效磁矩a)點磁矩b)分布磁矩磁性探針的等效磁矩a)點磁矩MFM探針感受的作用力

物質(zhì)間的磁作用力：

F=-E/z

磁矩m的磁針在磁場H中具有能量

E=-m·Hcos

為m與H矢量間的夾角

因此，磁探針受力F是磁場H梯度H/z的函數(shù)，即MFM象的直觀性較差。

MFM探針感受的作用力

物質(zhì)間的磁作用力：

MFM需要使用兩次測量法(Lift-Mode)(1)tappingmodeAFM測量表面形貌

(5nm間距，vonderWaals力,這時它較強）

(2)non-contactmodeMFM測量磁場梯度分布

(50-100nm間距，靜磁作用力,相對前者已較強）MFM需要使用兩次測量法(Lift-Mode)(1)taMFM的應用：在顯微尺度上：

表面磁疇結(jié)構(gòu)材料磁化過程的觀察生物體的磁現(xiàn)象MFM的應用：在顯微尺度上：表面磁疇結(jié)構(gòu)不同CoFeAgCu成分合金的AFM圖象不同成分的合金具有不同的表面形貌不同CoFeAgCu成分合金的AFM圖象不同成分的合金具有不不同CoFeAgCu成分合金的MFM圖象5m5m區(qū)域：

隨著成分變化，磁性變化，磁疇間距增加不同CoFeAgCu成分合金的MFM圖象5m5m區(qū)域：Fe的AFM(形貌)與MFM(磁疇)比較AFM:形貌MFM:磁疇Fe的AFM(形貌)與MFM(磁疇)比較磁化過程的MFM象55m區(qū)域：

隨著磁化過程不同，磁性狀態(tài)不同磁化過程的MFM象55m區(qū)域：

隨著磁化過程不同，磁性磁頭記錄過程的示意圖

磁頭記錄過程的示意圖

激光燒蝕Fe70Cr30薄膜的AFM象與MFM象MFM象表明，薄膜形成了周期結(jié)構(gòu)的磁單疇：黑色、白色區(qū)域分別與南北磁極相對應激光燒蝕Fe70Cr30薄膜的AFM象與MFM象磁盤表面磁疇的MFM象

磁盤表面磁疇的MFM象

磁記錄介質(zhì)的形貌(AFM)與磁疇(MFM)信息被記錄在300nm寬度的磁疇內(nèi)磁記錄介質(zhì)的形貌(AFM)與磁疇(MFM)信息被記錄在3兩種磁盤材料的磁疇在磁化后的MFM象表現(xiàn)了磁化場自左到右降低時的不同磁化態(tài)

左圖的磁化狀態(tài)連續(xù)變化

右圖的磁化狀態(tài)有跳躍性變化兩種磁盤材料的磁疇在磁化后的MFM象表現(xiàn)了磁化場自左到右降低細菌體內(nèi)磁性體的MFM象黑色區(qū)域為一極，白色區(qū)域為另一極細菌體內(nèi)磁性體的MFM象黑色區(qū)域為一極，白色區(qū)域為另一極4.近場掃描光學顯微鏡NSOMAFM部分Trans.NSOM部分NSOM與AFM(或STM)結(jié)合使用。Arionlaserasthelightsourcefortransmissionmode.AFMisusedtocontroltheheightoftheprobebymonitoringareflectedlaserbeam.4.近場掃描光學顯微鏡NSOMAFM部分Trans.反射式近場掃描光學顯微鏡NSOM1.超顯微近距離的光通徑2.壓電微位移掃描裝置3.樣品表面光強度隨距離的迅速衰減NSOM的技術(shù)要素SNOMinreflectionmode,withanaspectrometer.反射式近場掃描光學顯微鏡NSOM1.超顯微近距離的光通徑NNSOM的Si探針AcombinationoftransmissionSNOMwithanAFMcantilever.P.Grabiecetal./MicroelectronicEngineering61–62(2002)981–986NSOM的Si探針AcombinationoftranNSOM的光纖探針SEMofopticalfiberprobeusedinSNOM/AFM.Theprobehasacoreof3.2mdiameter.Thetaperedprobewascoatedwith100-150nmAl.

NSOM的光纖探針SEMofopticalfiberNSOM的光纖探針尖端處有一很小的光學通徑60nmNSOM的光纖探針尖端處有一很小的光學通徑60nmNSOM的多種光耦合方式NSOM的多種光耦合方式NSOM獲得的信息：在顯微(nm)尺度上：樣品表層的光學性質(zhì)（吸收、發(fā)射、光譜等）、形貌等信息可獲得50nm的分辨率NSOM獲得的信息：在顯微(nm)尺度上：石英上20nm厚度的Cr薄膜圖形的AFM/NSOM象Thescannedareais55m.TheelevatedpartsaretheCrpatterns,whichappeardarkinthetransmissionNSOMimage石英上20nm厚度的Cr薄膜圖形的AFM/NSOM象ThAl2O3表面臺階的AFM(左)和NSOM象(右)視場大小分別為490390nm和460350nm

分辨率超越了光學顯微鏡的分辨率(約200nm)Al2O3表面臺階的AFM(左)和NSOM象(右)視場大聚酯PS-Au薄膜/Si的AFM(上)和NSOM象(下)Leftandrightcolumnareobtainedwithexcitationlightof633nmand9.7m

J.H.Kim,K.-B.Song/Micron41838(2007)409–426聚酯PS-Au薄膜/Si的AFM(上)和NSOM象(下TMV病毒的AFM(左)和NSOM象(右1,2)

633nm514nm不僅分辨率高,且證明病毒對特定波長的光波敏感TMV病毒的AFM(左)和NSOM象(右1,2)其他：SPM對材料表面的加工與修飾表面原子排布操作材料表面微加工其他：SPM對材料表面的加工與修飾表面原子排布操作STM對物質(zhì)表面吸附分子的操作可以利用的作用力：1.vanderWaals力、化學力2.探針與吸附原子間的電場力與能量傳遞（電場、脈沖、電流流動）

a.橫向移動b.縱向移動c.分子解離STM對物質(zhì)表面吸附分子的操作可以利用的作用力：a.橫向移Ge(111)表面吸附的H被STM所移動H原子被施加正電壓的STM所吸引,移動10nm后被負電壓所排斥A.J.Mayneetal./ProgressinSurfaceScience81(2006)1Ge(111)表面吸附的H被STM所移動H原子被施加正電金剛石表面氫原子脫附位置的STM電壓脈沖作用下，脫附前后C(100)-(21):H表面的懸鍵（右圖中的白點）金剛石表面氫原子脫附位置的STM電壓脈沖作用下，脫附前后C(

Si(100)-21:H表面由STM脫氫后形成的懸鍵的電路圖形A.J.Mayneetal./ProgressinSurfaceScience81(2006)1電脈沖實現(xiàn)H脫附

Si(100)-21:H表面由STM脫氫后形成的懸鍵的IBM公司等利用STM制作的原子排列圖形FeonCu(111)COonPt(111)XeonNi(110)IBM公司等利用STM制作的原子排列圖形FeonCu(1Si表面AFM劃痕的三維和斷面AFM圖象水溶液中以Si探針劃痕100,200,800,1600次Z.Kato/Surf.Coat.Tech.169–170(2003)195Si表面AFM劃痕的三維和斷面AFM圖象水溶液中以Si氧化層上由11V的STM放電脈沖形成的刻蝕痕跡放電擊穿造成的蒸發(fā),直徑約10nm,貫穿氧化物層厚度

S.Myhra/ThinSolidFilms459(2004)90Si氧化層上由11V的STM放電脈沖形成的刻蝕痕跡放電擊穿造AFM在Si氧化層上施加8V正電壓后

寫入的二進制符號接觸式的掃描造成表層持續(xù)氧化,寬度20nm,深4nm

S.Myhra/ThinSolidFilms459(2004)90AFM在Si氧化層上施加8V正電壓后

第五講SPM小結(jié)

SPM是“具有精確的三維定位、掃描能力,借助超顯微尺寸的近距離探針,以特定的物理、化學特性為探測對象和反饋手段,利用計算機的圖象處理能力”的nm量級分辨本領的超顯微觀察手段SPM突破Abbe定律極限所依靠的是極微小尺寸的探針超近距離的探測高度掃描表面,順序成象的方法SPM類方法第五講SPM小結(jié)SPM是“具有精確的三維定位、掃思考題

SPM類方法如何克服波動力學Abbe定律的限制，獲得超顯微的觀察能力組成SPM的3個技術(shù)要素STM、AFM方法各自如何實現(xiàn)樣品高度的感知STM的2種工作模式MFM所獲得的圖象為什么直觀性較差為何MFM進行兩次測量NSOM在哪方面補充了AFM所得到的表面形貌信息思考題SPM類方法如何克服波動力學Abbe定律的限制，文獻閱讀1

閱讀文獻[W.Allersetal，AppliedSurfaceScience,140（1999）247]，并討論下列問題1.什么叫做stick–slipeffect？2.動態(tài)AFM方法的好處？3.為什么在動態(tài)AFM測量中，測出兩鄰近象點的間距為0.246nm，而不是根據(jù)石墨（0001）晶面預測的0.142nm？文獻閱讀1

閱讀文獻[W.Allersetal，Ap材料學中常用的分析方法第五講-SPM有關(guān)金屬材料的分析手段材料學中常用的分析方法第五講-SPM有關(guān)金屬材料的分析第五講掃描探針顯微鏡(SPM)：掃描隧道顯微鏡,STM

原子力顯微鏡,AFM

磁力顯微鏡,MFM

近場掃描光學顯微鏡,NSOM…第五講掃描探針顯微鏡(SPM)：光學、電子顯微鏡的分辨率極限

Abbe定律在遠場同時成象的條件下，其分辨率d/2:

對光學顯微鏡，500nm;

對電子顯微鏡，0.0035nm(100kV)

克服這一極限的一種方法：SPM類的方法光學、電子顯微鏡的分辨率極限

ScanningProbeMicroscope(SPM)

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AJ-III

型原子力顯微鏡(AFM)ScanningProbeMicroscope(SPMSPM:特指80年代以來發(fā)展起來的一類nm量級的超顯微分析手段

典型的SPM(掃描探針顯微鏡)的組成SPM的主要組成部分：

1.超顯微,近距離探針2.微位移掃描裝置3.特定物理、化學特性為探測對象四象限光電探測傳感器SPM:特指80年代以來發(fā)展起來的一類nm量級的超顯微典型SPM的測量物理特性隨距離的變化STM：隧道電流AFM：原子間力SNOM：光通量典型SPM的測量物理特性隨距離的變化STM：隧道電流AFM：SPM的共同特點：

其分辨本領不再受相應物理機制的波長所限，而是取決于探針尖端的尺寸、探針與樣品間的距離。掃描樣品表面,順序成象的方法也使克服Abbe定律的限制成為可能。

如:STM的分辨本領0.1nm

達到/10(電子波長1.0nm)

NSOM的分辨本領30nm

達到/200(可見光長500nm)SPM的共同特點：

其分辨本領不再受相應物SPM技術(shù)的發(fā)展年表（已發(fā)展了20余種SPM)————————————————————方法（年代）進展————————————————————1掃描近場光學顯微鏡的概念(1928)2掃描近場光學顯微鏡概念的重新提出(1956)3掃描聲波“顯微鏡”的原理性實驗(1956)(=14cm)4掃描微波“顯微鏡”的原理性實驗(1972)(=3cm)————————————————————5掃描隧道顯微鏡(1981)導體表面的原子象6掃描近場光學顯微鏡(1982)50nm的光學分辨率7掃描電容顯微鏡(1984)500nm的電容差8掃描熱顯微鏡(1985)50nm的熱成象————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（已發(fā)展了20余種SPM)——————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————9原子力顯微鏡(1986)導體/非導體的原子象10掃描引力顯微鏡(1987)5nm的表面非接觸成象11磁力顯微鏡(1987)100nm磁場梯度分布12摩擦力顯微鏡(1987)表面切向摩擦力場分布13靜電力顯微鏡(1987)原子水平電場梯度分布14非彈性隧道譜顯微鏡(1987)STM中分子的聲子譜15激光激發(fā)掃描隧道顯微鏡(1987)STM中光波的非線性混波成象16激光共聚焦掃描顯微鏡(1987)激光誘發(fā)熒光效應————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————17彈道電子發(fā)射顯微鏡(1988)nm尺度肖特基勢(BEEM)壘特性的探測18逆變光發(fā)射顯微鏡(1988)nm尺度上的熒光譜19近場聲顯微鏡(1989)10nm尺度的低頻聲測量20掃描噪聲顯微鏡(1989)無偏置的隧道顯微鏡21掃描自旋進動顯微鏡(1989)1nm的順磁自旋成象22掃描離子電導率顯微鏡(1989)500nm電解質(zhì)成象23掃描電化學顯微鏡(1989)溶液電化學反應引發(fā)的形貌變化————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————————方法（年代）進展————————————————————24吸附顯微鏡/吸附譜(1989)1nm尺度的吸收成象與吸收譜25掃描化學勢顯微鏡(1990)原子尺度的化學勢成象26光電壓掃描隧道顯微鏡(1990)10nm的光電壓成象27開爾文探針力顯微鏡(1991)10nm尺度的接觸電勢28無光闌近場光學顯微鏡(1994)1nm分辨率光學成象……————————————————————SPM技術(shù)的發(fā)展年表（續(xù)）————————————————1.掃描隧道顯微鏡STMSTM的主要組成部分：

微探針

壓電驅(qū)動器

探測對象：隧道電流1.掃描隧道顯微鏡STMSTM的主要組成部分：

微探掃描隧道顯微鏡STM樣品探針間的隧道電流Iexp(-2kd)

探針高度d

4?時，I

1nA

d增加1?時，I

降低一個數(shù)量級STM的技術(shù)要素1.超顯微,近距離的導體探針2.壓電微位移掃描裝置3.以隧道電流隨探針距離變化為探測對象和反饋機制掃描隧道顯微鏡STM樣品探針間的隧道電流Iexp(金屬樣品與探針表面的能級圖樣品與探針表面兩者的能級圖金屬樣品與探針表面的能級圖樣品與探針表面兩者的能級圖金屬樣品-探針表面間的隧道效應在外場U的作用下，近距離d的探針中將流過一隧道電流

z=d金屬樣品-探針表面間的隧道效應在外場U的作用下，近距離d的STM的顯微探針導體（W,Pt-Ir,Au等），探針頂端的曲率半徑<50nmSTM的顯微探針導體（W,Pt-Ir,Au等），探STM探針的電化學制備方法液面處，陽極金屬被溶解,形成曲率半徑很小的尖端STM探針的電化學制備方法液面處，陽極金屬被溶解,形成曲STM的壓電陶瓷三維筒狀微驅(qū)動器探針被裝置于驅(qū)動器的一側(cè)，被x,y,z三組電極所驅(qū)動

驅(qū)動靈敏度為3nm/V位移精度達0.1?

STM的壓電陶瓷三維筒狀微驅(qū)動器探針被裝置于驅(qū)動器的一側(cè)，STM的兩種工作模式恒電流模式恒高度模式STM可使用不同的信號作為其反饋控制信號STM的兩種工作模式恒電流模式恒高度模式STM可STM的應用：

導體表面的原子排列圖象的直接觀察

導體表面原子動態(tài)過程的監(jiān)測在原子尺度上：在顯微尺度上：

表面顯微結(jié)構(gòu)、形貌的觀察STM的應用：導體表面的原子排列圖象的直接觀察Pt(111)表面吸附CO/CO2后的STM象CO/Pt(111)CO2/Pt(111)Pt(111)表面吸附CO/CO2后的STM象CO/Pt(1I在Au(111)表面吸附的圖象Au(111)的清潔表面I/Au(111)的吸附表面I在Au(111)表面吸附的圖象Au(111)的清潔表面I模擬象重構(gòu)的77-Si(111)表面的STM象STM象模擬象重構(gòu)的77-Si(111)表面的STM象STM象Cu在Au(111)表面的沉積過程

(左)潔凈的Au表面

(右)在Au表面沉積1/3層Cu原子后

CuAu3Cu在Au(111)表面的沉積過程(左)GaAs(2,5,11)表面臺階的STM象臺階邊緣沿著<3,1,–1>方向GaAs(2,5,11)表面臺階的STM象臺階邊緣沿著<3,DislocationswhereBurgersvectorsareperpendiculartothedislocationlines,areedgedislocations.

點陣和位錯的直接觀察ODislocationswhereBurgersvecFeislandson(100)Cumaybefcc.ThenbccFestartstogrowbytransformationofsmallregions(needles).

Cu基底上Fe薄膜中的fccbcc相變OFeislandson(100)CumaybeFor(111)25%Pt-75%Ni,bothtypeofatomscanbedistinguishwithSTM:alternatingchainsofPtandNi

(onsurface,50%ofeach,withthebrighterspeciesasNi)STM:PtNi合金中不同元素的化學襯度←-Ni←-PtNi的電負性1.8，Pt的電負性2.1，即Ni更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>NiFor(111)25%Pt-75%Ni,both

(100)50%Pt-50%Rhalloyshows31%Rh(bright)and69%Pt(darker)atsurface.BothPtandRhtendtoclusterinsmallgroups,andPtRh(100)surfaceismainlypopulatedbythedarkerPt.STM:PtRh合金表面不同元素的化學襯度←-Pt←-Rh電負性上Rh<Pt，即Rh

更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>Ni(100)50%Pt-50%RhalloyshOn95%Ag(notresolved)-5%Pd(whitedots)alloy,Oatoms(blackdots)candiffuse.20slater,someblackOatomschangedtheirposition(redarrows).ThesiteanOatomleavesappearsbright,andthenewpositionanOatomtakeswasalsobright.ThusOatomshavestrongaffinitytoPd.AgPd合金表面氧原子的擴散——化學親和勢OOPdPdPd的電負性2.0，O的電負性3.5，即Pd

更易于失去電子，隧道電流大電負性：O>Pt>Rh>Pd>Ag>NiOn95%Ag(notresolved)-5%POnAllattice(faintgreytexture,leftframe),darkspotsofOatomsareelongated:theyarenotsingleatoms,but2,3ormoreOatoms(yellowdots,rightframe)

Al金屬表面的氧原子團的吸附OOnAllattice(faintgreytext非導體NaCl薄層/Al的STMSTMofultra-thinNaClislandsonAlshowdistancesbetweenatomsof0.4nm,meaningthatweseeonlyNaorCl.

AsCl"borrows“electronsfromthesupportingAl,theymustappearbright.

非導體NaCl薄層/Al的STMSTMofultra-石墨（0001）表面的STM:

兩種原子位置問題

A位置下面有近鄰原子

B位置下面無近鄰原子

石墨的晶體結(jié)構(gòu)

石墨（0001）表面

原子位置的示意圖————石墨（0001）表面的STM:

兩種原子位置問石墨（0001）表面的STM象在此STM象中，A,B兩種原子位置中，只有B類原子是可見的在適當?shù)钠珘合拢琒TM象中所有的A、B原子均是可見的

STM探測的是原子的電子云分布————石墨（0001）表面的STM象在此STM象中，A,B兩不同偏置時，-SiC(100)表面雙列Si原子的STM象(a)V=-2.5V,emptyelectronicstates.(b)V=3.5V,filledelectronicstates.Thetunnelingcurrentwas0.1nA.V.Deryckeetal.rAppliedSurfaceScience162–163(2000)413–418不同偏置時，-SiC(100)表面雙列Si原子的STM象(在不同偏置時GaAs(110)的STM象樣品正偏置時(吸引電子)，觀察到電負性小的Ga的空軌道位置樣品負偏置時(排斥電子)，觀察到電負性大的As的滿軌道位置GaAsAsGa滿軌道空軌道+偏置,Ga-偏置,As在不同偏置時GaAs(110)的STM象樣品正偏置時(Fe-C合金中的片狀貝氏體

——光學顯微鏡象、SEM、STM象分辨率逐步提高Fe-C合金中的片狀貝氏體

——光學顯微鏡象、SETi3Al斷口形貌的SEM與STM象在m與nm量級，圖象顯示出兩圖具有相似性，證明其分形特征Ti3Al斷口形貌的SEM與STM象在m與nm量級，圖象顯小面化的Cu(511)表面的STM小面指數(shù)：(401),(410)和(311)面積：250nm250nm小面化的Cu(511)表面的STM小面指數(shù)：(401),(

STM分辨本領與其他技術(shù)的比較

HM高分辨光學顯微鏡

PCM相差光學顯微鏡

REM反射電子顯微鏡——————OOSTM分辨本領與其他技術(shù)的比較

HM高分辨光學顯微2.原子力顯微鏡AFM1.超顯微、近距離的探針2.壓電微位移掃描裝置3.探針-樣品表面間的vanderWaals力隨距離的迅速變化AFM的技術(shù)要素物質(zhì)間的作用力2.原子力顯微鏡AFM1.超顯微、近距離的探針AFM的技AFM的三種工作模式（按接觸方式分類）contact

F=10-6-10-9Ntappingorintermittentcontact(IC)

non-contactF=10-11N鐵電陶瓷激勵方式物質(zhì)間的作用力OOOAFM的三種工作模式（按接觸方式分類）contact鐵電AFM的三種工作模式（按接觸方式分類）ContactmodemeasurestopographbyslidingprobetipacrosssamplesurfaceTappingmodemeasurestopographbytappingthesurfacewithanoscillatingprobetipNon-contactmodemeasurestopographybysensingvanderWaalsattractivepotential,andprovideslowerresolutionthaneithercontactmodeortappingmodeAFM的三種工作模式（按接觸方式分類）ContactmoAFM的懸臂梁與微探針AFM的懸臂梁與微探針AFM的應用：

導體,非導體表面原子排列的直接觀察在原子尺度上：在顯微尺度上：

各種物質(zhì)表面顯微結(jié)構(gòu)、形貌的觀察AFM的應用：導體,非導體表面原子排列的直接觀察AFM的應用：

——云母表面的原子象不再要求樣品為導體AFM的應用：

——云母表面的原子象不再AFM獲得的Si（111）單晶的77重構(gòu)AFM的原子模型樣品高度掃描AFM獲得的Si（111）單晶的77重構(gòu)AFM的原子模石墨(0001)表面的AFM象在6個C原子的中心處，引力為最大（這時，探針受6個原子作用），而在A、B原子位置處，引力分別較小（受1+4個原子作用）。此時，AFM看到的也并非原子位置W.Allersetal，AppliedSurfaceScience,140（1999）247AFM象模擬象石墨(0001)表面的AFM象在6個C原子的中心處，引力InAs(110)的AFM象陰離子As突出，陽離子下陷，其高度差約為0.07nm。因而一般只看到As離子亞點陣AsAsAsInAs(110)的AFM象陰離子As突出，陽離子下陷，其AFM的應用：

——金屬拋光表面的AFM象nm尺度上測量表面粗糙程度AFM的應用：

——金屬拋光表面的AFM象nm腐蝕過程中黃銅表面的AFM象80%相對濕度中放置(a)192分鐘(b)381分鐘(c)1359分鐘干燥環(huán)境中放置(d)47分鐘腐蝕過程中黃銅表面的AFM象80%相對濕度中放置FeZrB非晶合金表面顯微結(jié)構(gòu)演變的IC-AFM象在電流加熱的情況下，樣品發(fā)生非晶向納米晶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，表面出現(xiàn)半球狀突起的形貌J.I.Paredesetal./JournalofNon-CrystallineSolidsxxx(2007)xxx–xxxJ.I.Paredesetal./JournalofNon-CrystallineSolidsxxx(2007)xxx–xxxFeZrB非晶合金表面顯微結(jié)構(gòu)演變的IC-AFM象在電流加熱Al2O3表面臺階的AFM象

非導體,視場大小為33mAl2O3表面臺階的AFM象非導體,視場大小為33電子束光刻的顯微防偽標記的AFM象尺度單位為55m電子束光刻的顯微防偽標記的AFM象尺度單位為55m3.磁力顯微鏡MFM

(與非接觸式AFM相同，但探針為磁性探針)1.超顯微近距離的磁性探針2.壓電微位移掃描裝置3.磁性探針-樣品表面間的磁作用力隨距離的迅速變化MFM的技術(shù)要素3.磁力顯微鏡MFM

(與非接觸式AFM相磁性探針的等效磁矩a)點磁矩b)分布磁矩磁性探針的等效磁矩a)點磁矩MFM探針感受的作用力

物質(zhì)間的磁作用力：

F=-E/z

磁矩m的磁針在磁場H中具有能量

E=-m·Hcos

為m與H矢量間的夾角

因此，磁探針受力F是磁場H梯度H/z的函數(shù)，即MFM象的直觀性較差。

MFM探針感受的作用力

物質(zhì)間的磁作用力：

MFM需要使用兩次測量法(Lift-Mode)(1)tappingmodeAFM測量表面形貌

(5nm間距，vonderWaals力,這時它較強）

(2)non-contactmodeMFM測量磁場梯度分布

(50-100nm間距，靜磁作用力,相對前者已較強）MFM需要使用兩次測量法(Lift-Mode)(1)taMFM的應用：在顯微尺度上：

表面磁疇結(jié)構(gòu)材料磁化過程的觀察生物體的磁現(xiàn)象MFM的應用：在顯微尺度上：表面磁疇結(jié)構(gòu)不同CoFeAgCu成分合金的AFM圖象不同成分的合金具有不同的表面形貌不同CoFeAgCu成分合金的AFM圖象不同成分的合金具有不不同CoFeAgCu成分合金的MFM圖象5m5m區(qū)域：

隨著成分變化，磁性變化，磁疇間距增加不同CoFeAgCu成分合金的MFM圖象5m5m區(qū)域：Fe的AFM(形貌)與MFM(磁疇)比較AFM:形貌MFM:磁疇Fe的AFM(形貌)與MFM(磁疇)比較磁化過程的MFM象55m區(qū)域：

隨著磁化過程不同，磁性狀態(tài)不同磁化過程的MFM象55m區(qū)域：

隨著磁化過程不同，磁性磁頭記錄過程的示意圖

磁頭記錄過程的示意圖

激光燒蝕Fe70Cr30薄膜的AFM象與MFM象MFM象表明，薄膜形成了周期結(jié)構(gòu)的磁單疇：黑色、白色區(qū)域分別與南北磁極相對應激光燒蝕Fe70Cr30薄膜的AFM象與MFM象磁盤表面磁疇的MFM象

磁盤表面磁疇的MFM象

磁記錄介質(zhì)的形貌(AFM)與磁疇(MFM)信息被記錄在300nm寬度的磁疇內(nèi)磁記錄介質(zhì)的形貌(AFM)與磁疇(MFM)信息被記錄在3兩種磁盤材料的磁疇在磁化后的MFM象表現(xiàn)了磁化場自左到右降低時的不同磁化態(tài)

左圖的磁化狀態(tài)連續(xù)變化

右圖的磁化狀態(tài)有跳躍性變化兩種磁盤材料的磁疇在磁化后的MFM象表現(xiàn)了磁化場自左到右降低細菌體內(nèi)磁性體的MFM象黑色區(qū)域為一極，白色區(qū)域為另一極細菌體內(nèi)磁性體的MFM象黑色區(qū)域為一極，白色區(qū)域為另一極4.近場掃描光學顯微鏡NSOMAFM部分Trans.NSOM部分NSOM與AFM(或STM)結(jié)合使用。Arionlaserasthelightsourcefortransmissionmode.AFMisusedtocontroltheheightoftheprobebymonitoringareflectedlaserbeam.4.近場掃描光學顯微鏡NSOMAFM部分Trans.反射式近場掃描光學顯微鏡NSOM1.超顯微近距離的光通徑2.壓電微位移掃描裝置3.樣品表面光強度隨距離的迅速衰減NSOM的技術(shù)要素SNOMinreflectionmode,withanaspectrometer.反射式近場掃描光學顯微鏡NSOM1.超顯微近距離的光通徑NNSOM的Si探針AcombinationoftransmissionSNOMwithanAFMcantilever.P.