扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)的异同点
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摘要 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 probemicroscopy, 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。

扫描探针显微镜(SPM)特点

1.扫描隧道显徽镜(STM)和原子力显微镜同其他显微镜相比具有分辨率高、工作环境要求低、待测样品要求低、不需要重金属投影等优点,所以它们观察到的图像更能直接反映样品的原有特点。

2.借助于快速的计算机图像采集系统时,STM和AFM还可以用来观察细胞,亚细胞水平甚至是分子水平上的快速动态变化过程。

3.扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)不仅可以用来对样品进行精细成像,而且还可以对样品进行精细加工,利用原子力显微镜(AFM)甚至可以把质粒DNA剪切成特殊的尺寸而与其序列无关,这可能会产生分子克隆或DNA测序的新方法,由于扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的众多优点,它们已在物理学、生物化学、材料科学,生命科学、技术科学等众多领域中得到广泛的应用。

SPM发展历程

 

扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)的原理与工作模式

1.扫码隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜(STM)的原理

扫描隧道显微镜(STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应,将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中,原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用,表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁,由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。

扫描隧道显微镜(STM)主要有两种扫描模式:恒电流模式和恒高度模式。

(1)恒流模式

利用一套电子反馈线路控制隧道电流,使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,即是使针尖沿 x、y 两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动,高度的信息也就由此反映出来。这就是说,扫描隧道电子显微镜得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图像信息全面,显微图象质量高,应用广泛。

(2)恒高模式

在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化,隧道电流 I 的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化,并转换成图像信号显示出来,,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。

 

2.原子力显微镜(AFM)

原子力显微镜(AFM)的原理

原子力显微镜(AFM)通过机械探针“触摸”样品表面表征其形貌并记录力学性质。它的工作原理类似人类用手指触摸物品表面,当探针靠近样品表面时,探针与样品表面间会产生一个相互作用力,此作用力会导致悬臂发生偏折。激光二极管产生的激光束通过透镜聚焦到悬臂背面,然后再反射到光电二极管上形成反馈。在扫描样品时,样品在载物台上缓慢移动,而微悬臂在反馈调节系统调节下将随样品表面形貌而弯曲起伏,反射光束也将随之偏移,由检测器记录表面形貌和力学信息。

 

在原子力显微镜(AFM)成像模式中,根据针尖与样品间作用力的不同性质可分为:接触模式,非接触模式,轻敲模式

(1)接触成像模式:针尖在扫描过程中始终同样品表面接触。针尖和样品间的相互作用力为接触原子间电子的库仑排斥力(其力大小为10-8~10-6N)。优点为图像稳定,分辨率高,缺点为由于针尖和样品间粘附力的作用等因素影响,可影响成像质量。

(2)非接触成像模式:当针尖在样品表面扫描时,始终保持不与样品表面接触(一般保持5~20nm的距离)。在非接触模式中, 针尖与样品间的作用力是长程力——范德华吸引力。由于针尖始终不与样品表面接触,因而避免了接触模式中遇到的一些问题。缺点是由于范德华力非常小,因此比接触模式的分辨率较低,并且不适合于液体中成像。

(3)轻敲成像模式:同非接触模式相似, 在针尖扫描过程中,微悬臂也是振荡的,其振幅比非接触模式更大,同时针尖在振荡时间断地与样品接触。优点是分辨率高(近乎等同接触模式);可应用于柔软、易碎和粘附性样品;由于作用力是垂直的,材料表面受横向摩擦力、压缩力、剪切力的影响较小。

 

扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)的异同点

扫描(scanning)

  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,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)

  1. cantilever based probe:用于原子力显微镜(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:用于扫描隧道显微镜(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-lr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)

当然除了成像,SPM也可以用来检测各种谱。比如用原子力显微镜(AFM)来检测力曲线,扫描隧道显微镜(STM)测量隧道电流随距离的变化之类的。

 

反馈信号(feedback signal)

1.扫描隧道显微镜(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一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,所以扫描隧道显微镜(STM)的样品,必须是导电的。

2.原子力显微镜(AFM)的feedback signa是针尖和和样品表面原子之间的相互作用力。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-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,RN,蛋白质,甚至是细胞。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。

观测样品类型:

1.扫描隧道显微镜(STM)工作时必须要实时通过检测针尖和样品间隧道电流变化实现样品表面成像的,因此它只能用于观察导体或半导体材料的表面结构

2.原子力显微镜(AFM)检测的是针尖和样品间的力,所以它不仅可以用于观察导体或半导体材料,还可以观察绝缘体材料。

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