掃描探針顯微鏡的原理|結(jié)構(gòu)|特點

　　掃描探針顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型探針顯微鏡(原子力顯微鏡，靜電力顯微鏡，磁力顯微鏡，掃描離子電導(dǎo)顯微鏡，掃描電化學(xué)顯微鏡等)的統(tǒng)稱，是國際上近年發(fā)展起來的表面分析儀器。

掃描探針顯微鏡原理及結(jié)構(gòu)

　　掃描探針顯微鏡的基本工作原理是利用探針與樣品表面原子分子的相互作用，即當(dāng)探針與樣品表面接近至納米尺度時形成的各種相互作用的物理場，通過檢測相應(yīng)的物理量而獲得樣品表面形貌。掃描探針顯微鏡豐要由探針、掃描器、位移傳感器、控制器、檢測系統(tǒng)和圖像系統(tǒng)5部分組成。

　　控制器通過掃描器在豎直舛由方向移動樣品以使探針和樣品之間的距離(或相互作用的物理量)穩(wěn)定在某一固定值;同時在x-y水平平面移動樣品，使探針按照掃描路徑掃描樣品表面。掃描探針顯微鏡在穩(wěn)定探針與樣品間距的情況下，檢測系統(tǒng)檢測探針與樣品之間相互作用的相關(guān)物理量信號;在穩(wěn)定相互作用物理量的情況下，則通過豎直方向礴由位移傳感器檢測探針與樣品之問距離。圖像系統(tǒng)則根據(jù)檢測信號(或探針與樣品間距)對樣品表面進(jìn)行成像等圖像處理。

　　根據(jù)所利用的探針與樣品之間相互作用物理場的不同，掃描探針顯微鏡被分為不同系列的顯微鏡。其中掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)是比較常用的兩類掃描探針顯微鏡。掃描隧道顯微鏡是通過檢測探針與被測樣品之間的隧道電流的大小來檢測樣品表面結(jié)構(gòu)。原子力顯微鏡是通過光電位移傳感器檢測針尖一樣品間的相互作用力(既有可能足吸引力，也有可能是排斥力)所引起的微懸臂形變來檢測樣品表面。

掃描探針顯微鏡的特點

　　掃描探針顯微鏡是除了場離子顯微鏡和高分辨率透射電子顯微鏡之后的第三種以原子尺度觀察物質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯微鏡。以掃描隧道顯微鏡(STM)為例，其橫向分辨率為0.1~0.2nm，縱向深度分辨率則為0.01nm，這樣的分辨率可以清楚地觀測到分布在樣品表面的單個原子或分子。同時，掃描探針顯微鏡還可以在空氣，其他氣體或液體環(huán)境下進(jìn)行觀察研究。

　　掃描探針顯微鏡擁有原子分辨、原子搬運(yùn)、納米微加工等特點，但是由于細(xì)部各種掃描顯微鏡的工作原理不同，它們得到的結(jié)果所反映的樣品表面信息是很不同的。掃描隧道顯微鏡測量的是樣品表面的電子臺分布信息，具有原子級別的分辨率但仍得不到樣品的真結(jié)構(gòu)。而原子顯微鏡探測的是原子之間的相互作用信息，因此可以得到樣品表面原子分布的排列信息即樣品的真實結(jié)構(gòu)。但另一方面，原子力顯微鏡測不到可以和理論比較的電子態(tài)信息，因此二者各有短長。

掃描探針顯微鏡控制技術(shù)

　　掃描探針顯微鏡控制需要克服壓電驅(qū)動器的遲滯、蠕變和振動特性，實現(xiàn)對水平平面的掃描軌跡跟蹤和豎直方向上探針與樣品表面距離定位的精確控制。

　　1、水平方向控制

　　水平方向控制通過控制壓電驅(qū)動器使探針在樣品表面完成重復(fù)光柵式掃描，即x軸上重復(fù)快速地跟蹤三角波軌跡，y軸上則相對緩慢地跟蹤斜坡軌跡。水平方向控制使掃描探針顯微鏡探針在樣品表面能夠高速精確地跟蹤掃描軌跡，從而實現(xiàn)掃描探針顯微鏡的高速掃描精度和掃描速度。

　　2、豎直方向控制

　　掃描探針顯微鏡豎直方向控制通過壓電驅(qū)動器，控制探針與樣品表面之間距離以使探針與樣品表面相互作用的物理Z保持穩(wěn)定(或者將探針與樣品表面之間距離穩(wěn)定在某一固定值)。豎直辦向定位精確度直接影響到掃描探針顯微鏡成像和納米操作的精度，定位速度影響到掃描探針顯微鏡的成像速度。

　　樣品表面輪廓是未知的、探針與樣品間距對其相互作用非常敏感和相互作用非常復(fù)雜等問題使在豎直方向上實現(xiàn)快速精確定位十分困難。掃描探針顯微鏡豎直方向控制的作用是在克服上述問題的基礎(chǔ)上實現(xiàn)探針在豎直方向的精確快速定位。

　　3、MIMO控制

　　掃描探針顯微鏡控制器需要同時控制水平方向的掃描以及垂直方向的定位，水平平面x軸的高速移動會引起可軸方向的振動，水平方向高速掃描也會引起探針與樣品之間豎直方向上的振動;這樣的水平方向和豎直方向的耦合問題在高速掃描時特別明碌。耦合所引起的定位誤差嚴(yán)重地影響掃描探針顯微鏡的成像質(zhì)量，甚至?xí)p壞探針和掃描樣品。