扫描探针显微镜的优点及其局限 

扫描探针显微镜的优点及其局限 

扫描探针显微镜(Scanning Probe MicroscopeSPM)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。

扫描探针显微镜以其分辨率极高(原子级分辨率)、实时、实空间、原位成像,对样品无特殊要求(不受其导电性、干燥度、形状、硬度、纯度等限制)、可在大气、常温环境甚至是溶液中成像、同时具备纳米操纵及加工功能、系统及配套相对简单、廉价等优点,广泛应用于纳米科技、材料科学、物理、化学和生命科学等领域,并取得许多重要成果。 

 

名称

检测信号

分辨率

备注

扫描探针显微镜SPM

扫描隧道显微镜STM

探针-样品间的隧道电流

0.1nm (原子级分辨率)

 

原子力显微镜AFM

探针-样品间的原子作用力

统称扫描力显微镜SFM

横向力显微镜LFM

探针-样品间相对运动横向作用力

磁力显微镜MFM

磁性探针-样品间的磁力

10nm

静电力显微镜EFM

带电荷探针-带电样品间静电力

1nm

近场光学显微镜SNOM

光探针接收到样品近场的光辐射

100nm

 

SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势:

首先,SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子,这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。

其次,SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说,SPM是真正看到了原子。

再次,SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻,样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作,又可以在大气中、低温、常温、高温,甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。

SPM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它的用武之地。

SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。 

扫描探针显微镜(SPM)与其他显微镜技术的各项性能指标比较

 

 

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(SPM

原子级(0.1nm)

实环境、大气、溶液、真空

室温或低温

100μm量级

透射电镜(TEM) 

点分辨(0.3-0.5nm)晶格分辨(0.1-0.2nm)

高真空

室温

接近SEM,但实际上为样品厚度所限,  一般小于100nm

扫描电镜(SEM

6-10nm

高真空

室温

10mm (10倍时)
1
μm (10000倍时
)

场离子显微镜(FIM

原子级

超高真空

30~80K

原子厚度

   任何事物都不是十全十美的一样,SPM也有令人遗憾的地方。 

由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像,因此扫描速度受到限制,检测效率较其他显微技术低;

由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小(目前难以突破100μm量级),而机械调节精度又无法与之衔接,故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦,定位和寻找特征结构比较困难; 

目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级,扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩,如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围,则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此,扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求;

由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌,因此,探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失真(采用探针重建可以部分克服)。