扫描探针显微镜SPM与纳米科技
原子力显微镜的原理|
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扫描探针显微镜与纳米科技
人类仅仅用眼睛和双手认识和改造世界是有限的，例如：人眼能够直接分辨的最小间隔大约为O.07mm；人的双手虽然灵巧，但不能对微小物体进行精确的控制和操纵。但是人类的思想及其创造性是无限的。当历史发展到二十世纪八十年代，一种以物理学为基础、集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM）诞生了。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达O.1nm，纵向优于O.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。
基于STM的基本原理，随后又发展起来一系列扫描探针显微镜（SPM）。如：扫描力显微镜（SFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描近场光学显微境（SNOM）等。这些新型显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm～1OOnm之间)研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。其最终目的是直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。
虽然纳米科技的历史可以追溯到三十多年前著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在美国物理年会上的一次富有远见的报告，但是“纳米科技”一词还是近几年才出现的，也正是SPM技术及其应用迅速发展的时期。第5届国际STM会议与第1届国际纳米科技会议于1990年在美国同时召开不能不说明SPM与纳米科技之间存在着必然联系、SPM的相继问世为纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展也将为SPM的应用提供广阔的天地。……
人们饶有兴趣的谈论和思考着21世纪的科学与技术，有人说是分子电子学时代，也有人说是信息时代。实际上纳米科学与技术将是构成未来新时代的基础。
世界上一些发达国家已投巨资，并组织在该领域有影响的科学家进行纳米科技研究。美、英、日、德等国家对纳米科技予以高度重视。美国真空学会成立了纳米科学与技术部。美国国家基金委员会把纳米科技列为优先支持的项目，另外美国与纳米科技有关的资助项目一半以上来自军方。英国政府在财力困难的情况下也制定了纳米技术计划，在机械、光学、电子学等领域遴选了八个项目进行研究。日本制定的关于先进技术开发研究规划中有十二个项目与纳米科技有关。其投资多达几十亿日元。德国汉堡大学应用物理系结构研究中心已投资一千万马克，准备建造一台世界一流的超高真空低温STM，期望在研究磁单极的存在性这一重要科学问题上有重要突破。
纳米科技的产业应用直接根植于基础研究，这与传统的技术发展规律不同，从基础到应用的转化是直接的，其转化周期将会更短。事实上，纳米科技的发展速度比原先人们估计的要快，有的已经实用化。纳米科技在计算机、信息处理、通讯、制造、生物、医疗和空间领域，尤其在国防工业上有巨大的发展前景。
正如前面在关于纳米科技的概念所述，纳米科技是在纳米尺度上对物质特性进行研究的基础上，最终利用这种特性来制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。因而就基础研究而言，纳米科学有着诱人的前景。因为在纳米尺度上物质将表现出新颖的现象、奇特的效应和性质。而作为一门技术，纳米技术将为人类提供新颖并具有特定功能的产品和装置。
因此，纳米科学技术充满着机会与挑战。而STM及其相关仪器SPM在这机会与挑战中必将获得更加广泛的应用。 ……
纳米科技是未来高科技的基础，而科学仪器是科学研究中必不可少的实验手段。STM及其相关仪器（SPM）必将在这场向纳米科技进军中发挥无法估量的作用。当纳米科技时代真正到来之际，“扫描探针显微镜在纳米科技中的应用”一文才可能最后写上休止符。
—— 摘自白春礼《纳米科学与技术》(云南科技出版社，1995)
自从1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场电子显微镜（FEM ）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪（AES）、光电子能谱（ESCA）、电子探针等。这些技术在表面科学各领域的研究中起着重要的作用。但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性，例如，LEED及X射线衍射等衍射方法要求样品具备周期性结构，光学显微镜和SEM的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨TEM主要用于薄层样品的体相和界面研究，FEM和FIM只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂，可用来作为样品的研究对象十分有限；还有一些表面分析技术，如X射线光电子能谱(ELS)等只能提供空间平均的电子结构信息；有的技术只能获得间接结果，还需要用试差模型来拟合。此外，上述一些分析技术对测量环境也有特殊要求，例如真空条件等。
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼（Gerd Binnig）博士和海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,以下简称STM）。它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（Atomic Force Microscope,以下简称AFM）、横向力显微镜（Lateral Force Microscope,以下简称LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成象的显微镜统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope,以下简称SPM）。
与其它表面分析技术相比，SPM所具有的独特优点可归纳为以下五条：
1、原子级高分辨率。如STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。图1比较了SPM与其它显微技术的分辨率。
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图1. 扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的分辨本领范围比较
HM：高分辨光学显微镜； PCM：相反差显微镜； (S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；
FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜
2、可实时地得到实空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。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。
3、可以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。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
4、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。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。
5、配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)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。
如果将应用范围较接近于SPM的电子显微镜、场离子显微镜与其作一简略比较（见表1），就可对STM仪器的特点及优越性有一清晰的认识。
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表1. 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 | 无 | 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 | 小 | 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 | 小 | 10mm (10倍时) 1μm (10000倍时) |
| 场离子显微镜（FIM） | 原子级 | 超高真空 | 30~80K | 有 | 原子厚度 |
此外，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十分低廉，因此，SPM技术一经发明，就带动纳米科技快速发展，并在很短的时间内得到广泛应用。
—-摘自白春礼《扫描隧道显微术及其应用》（上海科技出版社，1992）