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掃描探針顯微鏡的優點及其局限 

掃描探針顯微鏡(Scanning Probe MicroscopeSPM)是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的各種新型探針顯微鏡(原子力顯微鏡AFM,鐳射力顯微鏡LFM,磁力顯微鏡MFM等等)的統稱,是國際上近年發展起來的表面分析儀器,是綜合運用光電子技術、雷射技術、微弱信號檢測技術、精密機械設計和加工、自動控制技術、數位信號處理技術、應用光學技術、電腦高速採集和控制及高分辨圖形處理技術等現代科技成果的光、機、電一體化的高科技產品。

掃描探針顯微鏡以其解析度極高(原子級解析度)、即時、實空間、原位成像,對樣品無特殊要求(不受其導電性、乾燥度、形狀、硬度、純度等限制)、可在大氣、常溫環境甚至是溶液中成像、同時具備納米操縱及加工功能、系統及配套相對簡單、廉價等優點,廣泛應用于納米科技、材料科學、物理、化學和生命科學等領域,並取得許多重要成果。 

 

名稱

檢測信號

解析度

備註

掃描探針顯微鏡SPM

掃描隧道顯微鏡STM

探針-樣品間的隧道電流

0.1nm (原子級解析度)

 

原子力顯微鏡AFM

探針-樣品間的原子作用力

統稱掃描力顯微鏡SFM

橫向力顯微鏡LFM

探針-樣品間相對運動橫向作用力

磁力顯微鏡MFM

磁性探針-樣品間的磁力

10nm

靜電力顯微鏡EFM

帶電荷探針-帶電樣品間靜電力

1nm

近場光學顯微鏡SNOM

光探針接收到樣品近場的光輻射

100nm

 

SPM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有著其明顯的優勢:

首先,SPM具有極高的解析度。它可以輕易的“看到”原子,這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。

其次,SPM得到的是即時的、真實的樣品表面的高解析度圖像。而不同於某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結構。也就是說,SPM是真正看到了原子。

再次,SPM的使用環境寬鬆。電子顯微鏡等儀器對工作環境要求比較苛刻,樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而SPM既可以在真空中工作,又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫,甚至在溶液中使用。因此SPM適用於各種工作環境下的科學實驗。

SPM的應用領域是寬廣的。無論是物理、化學、生物、醫學等基礎學科,還是材料、微電子等應用學科都有它的用武之地。

SPM的價格相對於電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。 

掃描探針顯微鏡(SPM)與其他顯微鏡技術的各項性能指標比較

 

 

解析度

工作環境
樣品環境

溫度

對樣品
破壞程度

檢測深度

掃描探針顯微鏡(SPM

原子級(0.1nm)

實環境、大氣、溶液、真空

室溫或低溫

 

100μm量級

透射電鏡(TEM  

 點分辨(0.3-0.5nm)晶格分辨(0.1-0.2nm)

高真空

室溫

接近SEM,但實際上為樣品厚度所限,  一般小於100nm

掃描電鏡(SEM

6-10nm

高真空

室溫

10mm (10倍時)
1
μm (10000倍時
)

場離子顯微鏡(FIM

原子級

超高真空

30~80K

原子厚度

   任何事物都不是十全十美的一樣,SPM也有令人遺憾的地方。 

由於其工作原理是控制具有一定品質的探針進行掃描成像,因此掃描速度受到限制,檢測效率較其他顯微技術低;

由於壓電效應在保證定位精度前提下運動範圍很小(目前難以突破100μm量級),而機械調節精度又無法與之銜接,故不能做到象電子顯微鏡的大範圍連續變焦,定位和尋找特徵結構比較困難; 

目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮範圍比平面掃描範圍一般要小一個數量級,掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮,如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮範圍,則會導致系統無法正常甚至損壞探針。因此,掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求;

由於系統是通過檢測探針對樣品進行掃描時的運動軌跡來推知其表面形貌,因此,探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真(採用探針重建可以部分克服)。

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