什么是扫描探针显微镜 (SPM)？

扫描探针显微镜（SPM）是一种使用针尖探针观察纳米尺度表面不规则性的显微镜。

常在高真空下使用，以清洁样品表面，但也可在空气中使用。最近，还开发出了可用于液体的产品。

扫描探针显微镜有许多不同类型，包括扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）。 STM能够捕获单个原子，其发明者因对纳米结构科学技术进步做出的巨大贡献而荣获1986年诺贝尔物理学奖。

扫描探针显微镜 (SPM) 的应用

扫描探针显微镜可以观察纳米量级的极精细表面，因此用于观察半导体、玻璃、液晶等的表面状况和测量粗糙度。

具体观察对象包括硅单晶的原子排列和有机化合物的苯基。还可以观察和操作微生物、细菌和生物膜等生物样品的 DNA。

扫描探针显微镜是20世纪80年代开发的新型显微镜，但原子级观察技术的发展令人瞩目，可以测量摩擦力、粘弹性和表面电位的模型也已开发出来，其应用领域正在不断扩大迅速。液体测量还应用于电化学和生物化学等领域，使得测量更接近实际环境的条件成为可能。

扫描探针显微镜（SPM）原理

我们将解释扫描探针显微镜中常用的 AFM 和 STM 的原理。通过用细针状探针的尖 扫描样品表面来获取图像和位置信息。由于探头较细并且在原子水平上进行扫描，因此不适合测量不规则性较大的样品。

1. 扫描隧道显微镜（STM）

STM 利用了这样一个事实：从金属探针 向样品发射的隧道电流的强度敏感地取决于它们之间称为真空的绝缘体的厚度。可以以高分辨率精确测量样品表面的局部高度，从而可以单独解析材料表面上的原子（彼此相邻的两点之间的最短距离）。此外，通过用探针扫描样品表面，可以观察原子尺度上的不均匀图案。

探头由钨或铂制成，带有尖头。当探针和样品足够接近，两个电子云重叠，并施加微小的偏置电压（用于确定放大器小信号放大的直流电工作点的电压）时，会产生隧道电流达到隧道效应。

在STM中，金属探针在样品表面水平（X、Y）移动，并且反馈控制探针与样品之间的距离（Z）以保持隧道电流恒定。通常，单个原子之间的相互作用是通过使用压电元件的垂直运动来检测的，压电元件的距离可以以小于单个原子尺寸的精度控制。因此，STM在三个维度上具有原子分辨率。压电元件是利用压电效应的无源元件，当施加压力时会产生电压。

2. 原子力显微镜（AFM）

AFM 测量探针和样品表面之间的微小原子力（非化学键合的原子之间作用的弱内聚力）的差异，并通过扫描观察表面。它具有广泛的用途，因为它可以用来观察绝缘体和生物样品，无论它们是有机的还是无机的。已经开发出多种应用 AFM 技术来测量摩擦力、粘弹性、介电常数和表面电位的模型。

使用微小的力使连接到悬臂 的探针与样品表面接触。探头和样品之间的距离 (Z) 受到反馈控制，以保持作用在悬臂上的力（偏转）恒定，同时水平扫描 (X、Y) 以对表面形状进行成像。