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扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理是什么?

图片:PublicDomainPictures / CC0

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扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)都属于扫描探针显微镜(scanning probe microscopy, SPM)大家庭,而且是其中诞生的较早(STM 诞生于1982年,是第一种扫描探针显微镜,AFM诞生于1986/87年,二者都是Binning et al.首创)且很有代表性的两种。

所用图片除了最后一张之外都是我自己做的ppt,最后一张图片来自于网络搜索。

下图是一个大概的SPM发展历程

下图从三个方面简略描述一下扫描隧道显微镜和原子力显微镜的一些特点:

扫描(scanning):指显微镜用于成像的探针在样品表面移动。一般有以下两种模式:

  1. constant interaction mode: 保持针尖和样品表面相互作用(隧道电流之于STM,原子间作用力之于AFM)的值恒定,这个值一般与针尖和表面间距离相关。当针尖在xy轴方向移动时,由于样品表面起伏,为了保持电流或原子间作用力的值不变,探针(或样品表面)会在z轴方向作出调整,其运动轨迹可以形成反应表面拓扑性质的图像。
  2. constant height mode:保持针尖和样品表面距离不变(z值不变),随着针尖在xy轴方向运动,针尖和样品表面的相互作用的值会发生变化,其数值经过转化可以形成图像反应表面结构。

探针(probe):一般常用的探针有两种

  1. cantilever based probe:用于AFM。由于原子间作用力无法直接测量,AFM使用的探针是一个附着在有弹性的悬臂上的小针尖,悬臂另一面可以反射激光。随着针尖移动,针尖和样品表面的作用力使得悬臂发生细微的弯曲变化,导致激光反射路径的变化,从而获得样品表面形貌。
  2. conducting probe:用于STM。因为反馈信号是隧道电流,要求针尖和样品都必须导电,所以STM常用的探针都是金属(Au,W,Pt,Pt-Ir合金之类的)。而电流可以被直接和精确的检测,所以一般一根金属丝就能满足需求了。

显微成像(microscopy):既然叫显微镜,最重要的当然是成像了,图像2D 3D都可以有,还挺炫酷的。当然除了成像,SPM也可以用来检测各种谱。比如用AFM来检测力曲线,STM测量隧道电流随距离的变化之类的。



各种SPM技术的最主要区别在于feedback signal(反馈信号?)的不同。

STM的feedback signal是tunneling current(隧道电流)。这是一种基于量子隧道效应的现象—探针针尖的波函数和基底原子之间的波函数在距离极近时相互叠加,可以让电子突破能垒,发生电子转移,从而在针尖和基底之间形成隧道电流。电流大小与针尖和基底间的距离相关(指数关系)。通过保持针尖绝对高度不变监测扫过表面时的电流大小的变化(constant height mode)或者保持电流值不变检测针尖扫过表面时的轨迹(constant current mode),即可成像。由于测量的是电流,所以STM的样品,必须是导电的。原理大概如下图所示:



AFM的feedback signal是针尖和和样品表面原子之间的相互作用力(所以才叫“原子力”显微镜呀)。相互作用力有很多种,静电作用,范德瓦尔斯力之类的n多种,所以AFM可以观测不导电的样品。然而这个相互作用力无法像电信号一样直接检测,所以AFM使用激光照在针尖上,当针尖因为原子间作用力(引力和斥力都有)而震动时,激光的反射就会相应的跟着变化。根据针尖和样品表面是否接触,AFM可以分为contact mode和tapping mode两种,目前还有新的mode在被开发出来(在下的组里就在使用其中一种新mode,暂未命名)。因为AFM的样品不用非得有导电性,所以AFM可以用来检测生物样品,DNA RNA蛋白质,甚至是细胞(其实STM也可以检测生物分子啦)。不过目前由于技术限制,检测细胞的分辨率还未能达到分子尺度。



简单的说大概就是这样了。不过,如果答主是为了要做作业,,建议你还是自己干的好,不要这么懒呀

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