天津大学材料分析方法PPT第四章-扫描探针显微镜.ppt

第 1 篇 组织形貌分析 第四章 扫描探针显微分析技术 1. 扫描探针显微技术简介 2. 扫描隧道显微镜（重点） 3. 原子力显微技术（重点） 4. 其他扫描探针显微技术 2.1 扫描隧道显微镜（STM）简介 英文名称是：Scanning Tunneling Microscope，简称STM。 STM是所有扫描探针显微镜的祖先。 1981年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在苏伊士IBM实验室发明。 STM是第一种能够在实空间获得表面原子结构图像的仪器。 STM两种工作模式 ： 1) 恒定电流模式－检测高 度变化； 2) 恒定高度模式－检测隧 道电流变化 。 两种模式各有利弊： 1) 恒高模式扫描速率较高，但这种模式仅适用于相对平滑的表面； 2) 恒电流模式可以测量不规则表面，具有较高的精度（深度分辨率达几个pm）但比较耗时。 3. 原子力显微技术（重点） 3.1 原子力显微镜（AFM）的结构 3.2 造成AFM悬臂偏转的力 3.3 两种类型的AFM 3.4 AFM新进展——利用AFM进行纳米印刷 3.1 原子力显微镜（AFM）的结构 3.2 造成AFM悬臂偏转的力 3.3 两种类型的AFM 3.3.1 接触式AFM 3.3.2 非接触AFM 3.3.1 接触式AFM 排斥力模式。 AFM针尖与样品有轻微的物理接触。在这种工作模式下，针尖和与之相连的悬臂受范德瓦尔斯力和毛细力两种力的作用，二者的合力构成接触力。 当扫描器驱动针尖在样品表面（或样品在针尖下方）移动时，接触力会使悬臂弯曲，产生适应形貌的变形。检测这些变形，便可以得到表面形貌像。 两种工作模式： 恒高模式：扫描器高度固定，悬臂的偏转直接转换成形貌图像。 恒力模式：悬臂偏转被输入反馈电路，控制扫描器上下运动，使接触力恒定，扫描器的运动被转换成形貌图像。扫描速度较慢，但可以很好地控制施加在样品上的力。 3.3.2 非接触AFM NC-AFM，针尖与样品间距处于几至几十纳米的范围。此范围在范德瓦尔斯曲线中标注为非接触区间。力很小，~10-12N。适于研究软体和弹性样品，且不会因接触试样而引入污染。 应用一种振动悬臂技术。刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共振点的频率(100~400 kHz) 振动，振幅为几至数十纳米。 共振频率的变化反映悬臂所受力的梯度的变化，也反映针—样间隙或样品形貌的变化。 检测共振频率或振幅的变化，可以获得样品表面形貌信息。 MFM的针尖上镀有铁磁性薄膜，系统工作在非接触模式，检测由随针—样间隙变化的磁场引起的悬臂共振频率的变化。 可检测磁性材料中自发产生和受控写入的磁畴结构。 4.1 磁力显微技术 如果针尖靠近表面，即处在标准的非接触模式工作区间，则图像主要含形貌信息。 随着间隙增大，磁力效应变得显著。图像主要含磁特性图像。 在不同的针尖高度下采集一系列图像是剥离两种效应的一种途径。 4.2 力调制显微术（FMM） FMM是AFM成像技术的扩展，可确定样品的力学性能，也可同时采集形貌和材料性质的数据。 AFM针尖以接触方式扫描样品，将一周期信号加在针尖或样品上，由此信号驱动产生的悬臂调制振幅随样品弹性而变。 通过检测悬臂调制振幅的变化来形成力调制像，反映样品弹性的分布。 4.3 相位检测显微技术（PDM） 相位检测显微技术也称之为相位成像，这种技术借助测量悬臂振动驱动和振动输出信号之间的位相延迟，研究弹性、粘度和摩擦等表面机械性能的变化。 4.4 静电力显微技术（EFM） 静电力显微技术显示出样品表面的局部电荷畴结构，如电子器件中电路静电场的分布。 在针尖与样品之间施加电压，当悬臂扫描至静电荷时，悬臂偏转。偏转幅度正比于电荷密度，可以用光束折射系统进行测量。 4.5 扫描电容显微技术（SCM） 4.6 热扫描显微技术（TSM） 4.7 近场扫描光学显微术（NSOM） 4.8 纳米光刻 * * 第四章 扫描探针显微分析技术 1. 扫描探针显微技术简介 扫描探针显微镜：Scanning Probe Microscope，缩写为SPM。 1981年，SPM首次在实空间展现了硅表面的原子图像。从此，它在表面分析领域发挥着重要作用。 SPM是一类仪器的总称，分辨率从原子到微米级别。 1981年，硅原子像（7X7） SPM基本构成图 下 上 1. 扫描探针显微技术简介 SPM基 本 构 成 2.2 STM得到的表面原子图像 硅表面原子图像 吸附在铂表面的碘原子阵列图 隧道电流强度I是间距