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扫描探针显微镜(SPM)

浏览量：1075 作者：发布于：2023-07-13 文字：【大】【中】【小】

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）是扫描隧道显微镜及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AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等等)的统称，是一项突破性的新技术。它是利用带有超细针尖的探针逼近样品，并采用反馈回路控制探针在距表面纳米量级位臵扫描，获得其原子以及纳米级的有关信息图像，从此揭开了人类原位观察物质表面原子的排列状态和实时地研究与表面电子有关的物理、化学性质的历史，也是国际上近年发展起来的表面分析仪器，是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。
扫描探针显微镜(SPM)的特点与局限性
一、特点
1、极高的分辨率，可以轻易的“看到”原子，观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。
2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。
3、使用环境宽松，可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。
4、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
5、在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也很低。
二、局限性
1、考察物质性质时，SPM空间分辨率较低；
2、借助其它技术手段在，难以绝对定量物质的性质；
3、获取数据速率较慢，测试效率较其它显微技术低；
4、定位和寻找特征结构比较困难；
扫描探针显微镜(SPM)与其它显微镜技术的比较

显微技术	分辨率	工作环境样品环境	温度	对样品破坏程度	检测深度
扫描探针显微镜	原子级(0.1nm)	实环境、大气、溶液、真空	室温或低温	无	100μm量级
透射电镜	点分辨(0.3~0.5nm) 晶格分辨(0.1~0.2nm)	高真空	室温	小	接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm
扫描电镜	6~10nm	高真空	室温	小	10mm(10倍时)1μm(10000倍时)
场离子显微镜	原子级	超高真空	30~80K	有	原子厚度

扫描探针显微镜(SPM)的应用
SPM近些年来应用的领域越来越多，其中主要的除了获得高分辨的二维和三维表面形貌外，在线监测是个热点，包括了生物活体的在线监测和物理化学反应的在线监测。
在材料领域中，人们利用它来研究腐蚀的微观机理。腐蚀是一种发生在固体与气体或液体分界面上的现象。虽然通常人眼就可以看到腐蚀造成的结果，但是腐蚀都是从原子尺度开始的。
在生物医学研究对象也从最初的DNA迅速扩大到包括细胞结构、染色体、蛋白质、膜等生物学的大部分领域。更为重要的是，SPM作为静态观察，还可以实现动态成像，按分子设计制备具有特定功能的生物零件、生物机器、将生物系统和微机械有机地结合起来。
在微机械加工方面：由于SPM 的针尖曲率半径小,且与样品之间的距离很近( < 1nm)，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场，包括力、电、磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰，并诱导化学沉积和腐蚀，这正是利用SPM 进行纳米加工的客观依据。同时也表明，SPM不是简单用来成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。
在纳米尺寸、分子水平上，SPM是最先进的测试工具，它在材料及微生物学科中发挥了非常重要的作用，可以预测在今后新材料的发展以及揭示生命领域的一些重要的问题上将会发挥重要作用。结合SPM家族中的各类分析手段，例如MFM，SKPFM，AFM等，收集材料的各种信息，对材料进行纳米级和原子级别的原位观察，具有重要的意义。
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