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　　扫描探针显微镜(SPM)具有高精度成像、纳米操纵等功能，是纳米科技、生命科学、材料科学和微电子等科学研究的重要工具，随着科学技术的发展，科学家和工程师们对扫描探针显微镜的性能也提出越来越高的要求。

扫描探针显微镜发展历史

　　1981年，Bining，Rohrer在IBM苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜(STM)并为此获得1986年诺贝尔物理奖。STM的出现使人类能够对原子级结构和活动过程进行观察。由于STM需要被测样本必须为导体或半导体，其应用受到一定的局限。

　　1985年，原子力显微镜(AFM)的发明则将观察对象由导体、半导体扩展到绝缘体。

　　此后，人们在STM和AFM原理的基础上利用样品与探针之间多种不同关系，发明了力调制显微镜(FMM)、相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜，这些显微镜都是基于探针在被测样本表面上进行横向和纵向扫描，并检测探针针头与样品表面之间相关检测量变化的原理研制的设备，因此，以上各系列显微镜被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

　　扫描探针显微镜系列产品以近似相同的成像方法测量不同对象的微观特性，它们的共同特点是突破了传统的光学和电子光学成像原理，从而使人类以原子或分子尺度上测量各种物理量成为可能。

　　扫描探针显微镜被比作纳米的“眼”和“手”，具有高精度(原予级)观测和纳米操纵制造功能。扫描探针显微镜已经往纳米科技、材料科学、化学、生物等领域中得到广泛的应用。例如胶原蛋白脱水过稃的观察、单分子化学反应的实时监控、对InAs/lnP纳米线内部结构的研究以及对高通量的纳米材料与纳米器件的制造等，科学技术的发展也对科研工具扫描探针显微镜的性能提出越来越高的要求，要求扫描探针显微镜具有更快的成像速度、更高的成像精度以及操纵的鲁棒性。

　　虽然硬件技术(如探针制造技术、高精度传感器等)能够提高扫描探针显微镜的测量精度和测量速度，图像处理技术能够提高图像处理速度和成像精度;然而利用控制技术提高扫描精度、扫描速度、成像精度等也是使扫描探针显微镜满足上述性能要求的关键。因此，研究扫描探针显微镜控制技术以满足扫描探针显微镜技术发展的要求得到越来越多的关注。

扫描探针显微镜的发展展望

　　扫描探针显微镜发展至今已大体成熟，但是仍有许多有待完善的地方。例如移动样品时，对样品进行扫描检测的面积并不大，样品在较大范围移动时测量的进度不是很高等。同时，扫描探针显微镜的发展时间并不是很长，因此缺少了相关的方法标准和操作规范。

　　1、探针针尖

　　探针针尖的工艺研究探针的针尖对于扫描探针显微镜的分辨率十分重要。好的针尖设计不仅能提高其分辨率，对于整体的显微镜使用寿命的提高也起着很重要的作用。

　　2、提高获得样品表面图像的时间

　　由于扫描探针显微镜是集扫描、数据收集、数据处理、计算、模拟为一体的结构，因此从开始扫描到Z终获得图像的时间是比较长的，未来可能会提高其显示成像的时间。

　　3、偏置电压的控制

　　在扫描探针显微镜内，电压过高电场强度增大，可以增强原子迁移，然后场强过大时，针尖与样品之间会产生复杂的化学反应，影响观察效果同时导致原子操纵过程变得复杂。

　　4、从图像中去处仪器震荡影响

　　探针的轨迹Z终实际是样品表面起伏轮廓与超出电子学反馈系统的附加扰动的叠加。程序本身从数据开始逆过程反映出样品表面的情况这一过程是很难综合考虑扰动情况的。因此从扰动本身出发尽量消除震动情况是很需要的。

　　5、接触面的接触距离

　　好的接触距离可以提高扫描探针显微镜的分辨率，然而当接触距离达到某个值时，接触面处的原子会有突变，对于测量结果有很大的影响。

与扫描探针显微镜的发展历史|展望相关文文章：

　　扫描探针显微镜是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜，静电力显微镜，磁力显微镜，扫描离子电导显微镜，扫描电化学显微镜等)的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器。

扫描探针显微镜原理及结构

　　扫描探针显微镜的基本工作原理是利用探针与样品表面原子分子的相互作用，即当探针与样品表面接近至纳米尺度时形成的各种相互作用的物理场，通过检测相应的物理量而获得样品表面形貌。扫描探针显微镜丰要由探针、扫描器、位移传感器、控制器、检测系统和图像系统5部分组成。

　　控制器通过扫描器在竖直舛由方向移动样品以使探针和样品之间的距离(或相互作用的物理量)稳定在某一固定值;同时在x-y水平平面移动样品，使探针按照扫描路径扫描样品表面。扫描探针显微镜在稳定探针与样品间距的情况下，检测系统检测探针与样品之间相互作用的相关物理量信号;在稳定相互作用物理量的情况下，则通过竖直方向礴由位移传感器检测探针与样品之问距离。图像系统则根据检测信号(或探针与样品间距)对样品表面进行成像等图像处理。

　　根据所利用的探针与样品之间相互作用物理场的不同，扫描探针显微镜被分为不同系列的显微镜。其中扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)是比较常用的两类扫描探针显微镜。扫描隧道显微镜是通过检测探针与被测样品之间的隧道电流的大小来检测样品表面结构。原子力显微镜是通过光电位移传感器检测针尖一样品间的相互作用力(既有可能足吸引力，也有可能是排斥力)所引起的微悬臂形变来检测样品表面。

扫描探针显微镜的特点

　　扫描探针显微镜是除了场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜之后的第三种以原子尺度观察物质结构的显微镜。以扫描隧道显微镜(STM)为例，其横向分辨率为0.1~0.2nm，纵向深度分辨率则为0.01nm，这样的分辨率可以清楚地观测到分布在样品表面的单个原子或分子。同时，扫描探针显微镜还可以在空气，其他气体或液体环境下进行观察研究。

　　扫描探针显微镜拥有原子分辨、原子搬运、纳米微加工等特点，但是由于细部各种扫描显微镜的工作原理不同，它们得到的结果所反映的样品表面信息是很不同的。扫描隧道显微镜测量的是样品表面的电子台分布信息，具有原子级别的分辨率但仍得不到样品的真结构。而原子显微镜探测的是原子之间的相互作用信息，因此可以得到样品表面原子分布的排列信息即样品的真实结构。但另一方面，原子力显微镜测不到可以和理论比较的电子态信息，因此二者各有短长。

扫描探针显微镜控制技术

　　扫描探针显微镜控制需要克服压电驱动器的迟滞、蠕变和振动特性，实现对水平平面的扫描轨迹跟踪和竖直方向上探针与样品表面距离定位的精确控制。

　　1、水平方向控制

　　水平方向控制通过控制压电驱动器使探针在样品表面完成重复光栅式扫描，即x轴上重复快速地跟踪三角波轨迹，y轴上则相对缓慢地跟踪斜坡轨迹。水平方向控制使扫描探针显微镜探针在样品表面能够高速精确地跟踪扫描轨迹，从而实现扫描探针显微镜的高速扫描精度和扫描速度。

　　2、竖直方向控制

　　扫描探针显微镜竖直方向控制通过压电驱动器，控制探针与样品表面之间距离以使探针与样品表面相互作用的物理Z保持稳定(或者将探针与样品表面之间距离稳定在某一固定值)。竖直办向定位精确度直接影响到扫描探针显微镜成像和纳米操作的精度，定位速度影响到扫描探针显微镜的成像速度。

　　样品表面轮廓是未知的、探针与样品间距对其相互作用非常敏感和相互作用非常复杂等问题使在竖直方向上实现快速精确定位十分困难。扫描探针显微镜竖直方向控制的作用是在克服上述问题的基础上实现探针在竖直方向的精确快速定位。

　　3、MIMO控制

　　扫描探针显微镜控制器需要同时控制水平方向的扫描以及垂直方向的定位，水平平面x轴的高速移动会引起可轴方向的振动，水平方向高速扫描也会引起探针与样品之间竖直方向上的振动;这样的水平方向和竖直方向的耦合问题在高速扫描时特别明碌。耦合所引起的定位误差严重地影响扫描探针显微镜的成像质量，甚至会损坏探针和扫描样品。

与扫描探针显微镜的原理|结构|特点相关文文章：

　　扫描探针显微镜不是简单成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。扫描探针显微镜的应用领域是宽广的，无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有用武之地。

扫描探针显微镜的种类

　　扫描探针显微镜主要可分为扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、力调制显微镜(FMM)、相位检测显微镜(PDM)、静电力显微镜(EFM)、电容扫描显微镜(SCM)、热扫描显微镜(SThM)和近场光隧道扫描显微镜(NSOM)等各种系列显微镜。

　　这些显微镜都是基于探针在被测样本表面上进行横向和纵向扫描，并检测探针针头与样品表面之间相关检测量变化的原理研制的设备，因此，以上各系列显微镜被统称为扫描探针显微镜(SPM)。

扫描隧道显微镜

　　扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是基于量子隧道效应。当针尖和试样面间距离足够小时(<0.4nm)，在针尖和试样面间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子在针尖和试样面之间流动，形成隧道电流。

　　在相同的偏置电压作用下，随着探针同试样面间的距离减小，隧道电流很快增大(可增大1～2个数量级)，同时针尖原子和试样面原子的电子云部分重叠，使两者之间的相互作用大大增强。由于隧道电流随距离呈指数形式变化，因此，试样面上由于电子排列形成的“凸凹不平”表面导致隧道电流剧烈的变化。检测变化的隧道电流并经计算机处理，便能得到试样面的原子排列情况。

原子力显微镜

　　原子力显微镜(AFM)基本原理是由于试样面原子排列产生“凸凹不平”，当探针在水平方扫描时，针尖同试样面间的距离在垂直方向便会产生变化。由固体物理学理论可知，当探针针尖同试样面很近时，其间会产生原子间力。针尖同试样面间垂直方向的变化距离导致针尖同试样面间原子间力的变化。变化的原子间力引起悬臂梁在垂直方向发生振动，因此，利用激光束的偏转可检测出针尖同试样面间变化的原子间力。将激光束的偏转信号输入计算机中进行处理，可得到试样面的表面信息。在试样面下方装有压电材料，用以接受计算机输出的反馈信号，调节试样面的高度，以达到保护探针针尖的目的。

　　由于原子力显微镜是基于原子间力的理论，因此，被测试样面由导体和半导体扩展到绝缘体领域，其横向分辨率可达0101nm。目前根据探针针尖同试样面的接触情况，将原子力显微镜的接触形式分为接触型(C型)、非接触型(NC型)、间歇接触型(IC型)。由于间歇接触型IC-AFM兼有C-AFM和NC-AFM的特点，已成为研究的新热点。

力调制显微镜

　　力调制显微镜(FMM)探针针尖以接触形式同被测试样面相接触。为保持探针同试样面恒定接触，使悬臂梁保持恒定弯曲，需将经计算机处理后的反馈信号送给悬臂梁。由于试样面的局部弹性有差异，经调制后的探针振动信号随试样面局部弹性的不同而变化，因此，通过测量振幅的变化量可得到试样面的局部弹性情况。探针所加信号为100～1000kHz，要略高于反馈信号。

　　力调制显微镜的Zda特点是可测量表面的弹性变化情况，其横向分辨率要高于原子力显微镜一个数量级。

相位检测显微镜

　　相位检测显微镜(PDM)在试样面上施加输入信号，则在悬臂梁上有相应的输出信号。将两种信号同时输入计算机中进行处理，可得到试样面的表面特性。

　　相位检测显微镜的特点是接触面处的接触方式既可以是接触型、非接触型，也可以是间歇接触型。可检测出表面的弹性情况、粘性情况和摩擦情况。

静电力显微镜

　　静电力显微镜(EFM)中，探针同试样面的接触情况为非接触型。当探针在试样面上进行扫描时，由于试样面上电荷密度有差异，探针和试样面间形成的静电力随扫描区域的不同而变化，因此，通过测量悬臂梁的振幅变化量可得到试样面的表面电荷分布情况。该项技术由于被用于微处理器等深亚微米芯片检测而被称为“电荷探针”。

电容扫描显微镜

　　电容扫描显微镜(SCM)中探针同试样面的接触方式为接触型的。当探针在试样面上扫描时，由于针尖同试样面间的介电常数随扫描区域的不同而发生变化，从而导致接触面处电容的变化。通过测量变化的电容，可获得试样面的介电常数分布情况。

　　电容扫描显微镜的特点是不仅可以测量表层的介电常数分布，还可以测量深层的介电常数分布。

热扫描显微镜

　　热扫描显微镜(SThM)在接触处的接触方式为非接触型。扫描隧道显微镜的悬臂梁由热膨胀系数较大的材料制成。当探针在试样面上扫描时，由于试样面上不同的热量分布导致悬臂梁的变形量不同，通过测量悬臂梁的振动变化可得到试样面上热的分布情况。

近场光隧道扫描显微镜

　　近场光隧道扫描显微镜(NSOM)中，探针被固定，试样面利用压电技术进行扫描。针尖被做成音插形状，以提高灵敏度。近场光隧道扫描显微镜可测量几个纳米的近场，对于次长波信息，分辨率可达5～20nm。

与扫描探针显微镜的分类相关文文章：

　　扫描探针显微镜是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备。已渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种科学领域。

扫描探针显微镜的应用领域

　　扫描探针显微镜用于单原子操纵：

　　1959年美国物理学会年会上，诺贝尔物理奖获得者Richard说:“如果我们能够按自己的意愿排列原子，将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答，但我决不怀疑我们能在如此小的尺寸上操纵原子。”目前，Richard的设想可以实现了。

　　使用扫描隧道显微镜进行单原子操纵的较普遍的方法，是在针尖和试样面之间施加偏置电压。由于针尖同试样面之间的距离很小，因此，在偏置电压作用下，针尖和试样面之间将产生强大电场(10⁹～10¹⁰V/m)。试样面上的吸附电子在强电场作用下，经过蒸发被移动或提取，在试样面上留下空穴，从而实现单原子的移动和操纵。同样，吸附在针尖上的原子也有可能在强电场作用下，经过蒸发而沉积到试样面上，完成单原子的放置。

　　利用原子力显微镜进行单原子操纵还处于研究阶段。通过控制针尖同试样面之间的距离，利用针尖和试样面原子之间不同的原子间力，实现原子操纵。目前，利用扫描探针显微镜实现原子操纵是扫描探针显微镜研究的又一新热点，并因此带动相关学科产生新一轮革命。“正是由于扫描探针显微镜的精确性和准确性，显然对传统微电子工艺形成了冲击和震动”。

　　扫描探针显微镜用于生物技术和生命科学：

　　扫描探针显微镜在生物技术和生命科学中，也具有广阔的应用前景。

　　目前扫描探针显微镜在生物技术中的主要应用有：基因分析、染色体和细胞膜分析，蛋白质和核酸聚合分析，新物种产生等领域。

　　扫描探针显微镜用于信息技术：

　　扫描探针显微镜是IBM公司的科学家发明的，它在信息技术的应用，一直是人们关注的，随着科技的进步，对芯片的计算功能和存储功能的要求越来越高，如何提高芯片的性能是信息技术追求的目标，扫描探针显微镜的产生可谓是信息技术发展的一项催化剂，必然会带动信息产业更大的发展。以纳米电子加工为例，扫描探针显微镜技术可以加工更小尺寸的器件，器件的工作频率也更快，能耗也更低。如果在1cm²Si表面用原子存储信息，可存储10¹⁵bit的信息，是目前所用的1.44Mb的7亿倍。

　　目前扫描探针显微镜技术主要应用于微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种科学领域。随着纳米器件的发展和扫描隧道显微镜理论的不断完善，人类将可以用特定的原子制造特殊功能的产品。

扫描探针显微镜的发展方向

　　①探针针尖的工艺研究。探针针尖的工艺对扫描探针显微镜分辨率至关重要，如何提高针尖尖度、延长探针使用寿命将成为扫描探针显微镜长期研究的问题。

　　②对于扫描隧道显微镜，偏置电压的控制，也是研究的关键。电压过高，电场强度增大，有利于原子迁移;然而场强过大，在针尖和试样面之间会产生复杂化学反应，导致原子操纵过程变得复杂。

　　③接触面处的接触距离，是扫描探针显微镜中Z关键的因素。合理的接触距离，既有利于延长针尖的使用寿命，又有利于提高扫描探针显微镜的分辨率。而接触距离在原子操纵中，将起着决定性作用。

　　电场的强弱和原子间力的大小同接触距离有密切的关系，尤其是原子力显微镜，研究发现，当接触距离达到某个值时，接触面处的原子会发生“突跳”，“突跳”对原子操纵影响很大。

　　我国已将扫描探针显微镜列为急需突破的纳米科技发展的共性关键技术。相信在不久的将来，扫描探针显微镜将在更广阔的领域得到发展。

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