扫描探针显微镜SPM课件

扫描探针显微镜SPMSPM-9500J3简介-历史wSTM-1982年，IBM的苏黎世实验室中由Binnig和Rohrer发明。（1986年诺贝尔物理奖奖）wAFM-1986年，斯坦福大学由Binnig,Quate和Gerber等人发明wSPM-LFM(摩擦力显微镜)，SVM(粘弹性显微镜)，MFM(磁力显微镜)，EFM(静电力显微镜)，CFM(化学力显微镜)简介-分类wSPM(Scanning Probe Microscopy)nSTM(Scanning Tunneling Microscopy)nSFM(Scanning Force Microscopy)wAFM(Atomic Force Microscopy)wLFM(Lateral Force Microscopy)wMFM(Magnetic Force Microscopy)wEFM(electric Force Microscopy)wCFM(Chemical Force Microscopy)SPM仪器构造wSTMn振动隔绝系统n机械设计-隧道针尖与样品间的隧道电流#n计算机控制系统wAFMn振动隔绝系统n机械设计-力传感器与微悬臂的检测#n计算机控制系统振动隔绝系统w两种类型扰动n振动-重复性和周期性n冲击-瞬态变化w适用方法n提高仪器固有频率n使用震动阻尼w常用减震系统n合成橡胶冲垫-降低大幅冲击，共振频率10100Hzn弹簧悬挂-共振频率小0.5Hzn磁性涡流阻尼-体系质量和自然频率相对底时，涡流阻尼系数r=9.69x10-9BLS/pn气动弹簧减震台-0.5Hz振动隔绝系统w仪器噪音源n散粒噪音n负载电阻的Johnson噪音n激光相对强度噪音n激光相位噪音n悬臂的热噪音振动隔绝系统w一般以100Hz区分高/低频振动w0-1kHz频带内的激震影响，高频段影响甚微机械设计w三维扫描控制器w扫描针尖三维扫描控制器w针尖与样品位置粗调n爬行方式-利用静电力，机械力或磁力的夹紧并配合压电陶瓷的膨胀和伸缩，真空中n机械调节方式-单个或多个高精度差分调节螺杆配合减速原理，可手动或步进电机，大气环境中适用n螺杆与簧片结合方式-高精度调节螺杆顶住差分弹簧或簧片系统来调节，低温条件下三维扫描控制器w微调定位（压电陶瓷材料）n三角架型，早期使用n单管扫描器n十字架配合单管型，可以在一定程度上补偿热漂移的影响三维扫描控制器悬臂与针尖（力传感器）wSTM针尖n铂铱合金针尖，圆锥型wAFM悬臂与针尖（力传感器）nSi3N4金字塔型针尖n长方形或V型悬臂n力传感器要求w低的力弹性常数w高的力学共振频率w高的横向刚性w短的悬臂长度w传感器带有镜面或电极（光学或隧道电流检测）w尽可能尖锐的针尖悬臂与针尖（力传感器）悬臂与针尖（力传感器）悬臂与针尖（力传感器）悬臂与针尖（力传感器）扫描方式wSTMn恒电流模式n恒高度模式nIVbexp(-A1/2S)wI-隧道电流wVb-针尖和样品间的偏置电压wA-常数w(1+2)n1,2分别为针尖和样品的功函数wS-针尖和样品之间的距离STM扫描方式扫描方式wAFMn接触式(contact mode)，110nm(斥力)，10-810-11Nn非接触式(noncontact mode)，520nm（范德华力）n轻敲式(tapping mode)，20nm，10-910-12Nn悬臂检测方式w隧道电流w电容法w光束反射法扫描方式AFM扫描方式AFM微悬臂的光束反射法探测SPM探测参数及水平分辨率SPM9500-J3主要参数TiO2-Pt DynamicMode TiO2-Pt DynamicModeTiO2-Pt DynamicModeTiO2-Pt DynamicModeAlNAlNAlNAlN高分子膜 高分子膜 NH4Cl枝晶 NH4Cl枝晶 NH4Cl枝晶 NH4Cl枝晶 牙齿 牙齿 MFM Surface image of HAT4 film(a)before annealing and(b)after annealing