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1、扫描探针显微镜技术及其应用第1页，本讲稿共34页5-1 扫描探针显微镜的产生和历史扫描探针显微镜的产生和历史5-2 扫描探针显微镜的原理扫描探针显微镜的原理5-3 扫描探针显微镜的特点与应用扫描探针显微镜的特点与应用5-4 存在的问题及其展望存在的问题及其展望5-5 总结总结参考文献参考文献第2页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史|扫描探针显微镜产生的必然性扫描探针显微镜产生的必然性 1 1 表面结构分析仪器的局限性表面结构分析仪器的局限性表面结构分析仪器的局限性表面结构分析仪器的局限性19331933年年年年电子显微镜电子显微镜电子显微镜电子显微镜Ruska
2、RuskaKnollKnoll透透透透射射射射电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜扫扫扫扫描描描描电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜场场场场电电电电子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜场场场场离离离离子子子子显显显显微微微微镜镜镜镜低低低低能能能能电电电电子子子子衍衍衍衍射射射射光光光光电电电电子子子子能能能能谱谱谱谱电电电电子子子子探探探探针针针针第3页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史低能电子衍低能电子衍低能电子衍低能电子衍射和射和射和射和X X射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射光学显微镜光学显微镜光学显微镜光学显微镜和和和和扫描电子显扫描电子显扫描电
3、子显扫描电子显微镜微镜微镜微镜高分辨透射高分辨透射高分辨透射高分辨透射电子显微镜电子显微镜电子显微镜电子显微镜场电子显微场电子显微场电子显微场电子显微镜镜镜镜和和和和场离子显微场离子显微场离子显微场离子显微镜镜镜镜X X射线光电子射线光电子射线光电子射线光电子能谱能谱能谱能谱 样品具有周期性结构样品具有周期性结构样品具有周期性结构样品具有周期性结构 不足分辨出表面原子不足分辨出表面原子不足分辨出表面原子不足分辨出表面原子 用于薄层样品的体相和界面研究用于薄层样品的体相和界面研究用于薄层样品的体相和界面研究用于薄层样品的体相和界面研究只能探测在半径小于只能探测在半径小于只能探测在半径小于只能探测
4、在半径小于100nm100nm的针的针的针的针尖上的原子结构和二维几何性质，尖上的原子结构和二维几何性质，尖上的原子结构和二维几何性质，尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂且制样技术复杂且制样技术复杂且制样技术复杂只能提供空间平均的电子结只能提供空间平均的电子结只能提供空间平均的电子结只能提供空间平均的电子结构信息构信息构信息构信息第4页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史2 2 纳米科技突飞猛进的发展纳米科技突飞猛进的发展纳米科技突飞猛进的发展纳米科技突飞猛进的发展Dendrimer-like Gold Nanoparticle3 Biomolecul
5、ar Recognition on Vertically Aligned Carbon Nanofibers1-Co nanocrystals coated by a monolayer of poly(acrylic acid)-block-polystyrene 2DNA Translocation in Inorganic Nanotubes4Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires5第5页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史扫描探针显微镜的产生扫描探针显微镜的产生
6、扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜1982年年 人类第一次能够实人类第一次能够实人类第一次能够实人类第一次能够实时地观察单个原子在物时地观察单个原子在物时地观察单个原子在物时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与质表面的排列状态和与质表面的排列状态和与质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物表面电子行为有关的物表面电子行为有关的物表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面理、化学性质，在表面理、化学性质，在表面理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学、材料科学、生命科学、材料科学、生命科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有科学等领域的研究中有科学等领域的研究中有科学等领域的研究中有着重大的意义和
7、广阔的着重大的意义和广阔的着重大的意义和广阔的着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学应用前景，被国际科学应用前景，被国际科学应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界界公认为八十年代世界界公认为八十年代世界界公认为八十年代世界十大科技成就之一。十大科技成就之一。十大科技成就之一。十大科技成就之一。Gerd.BinnigHeinrich Rohrer第6页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史扫描力显微镜扫描力显微镜扫描力显微镜扫描力显微镜（SFMSFMSFMSFM）扫描近场光学显微境扫描近场光学显微境扫描近场光学显微境扫描近场光学显微境（SNOMSNOMSNOMS
8、NOM）弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜（BEEMBEEMBEEMBEEM）原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜（AFMAFMAFMAFM）扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STMSTMSTMSTM）扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜（SPMSPMSPMSPM）第7页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的产产生生和和历历史史扫描探针显微镜的发展历史扫描探针显微镜的发展历史 对于扫描探针显微术的最初研究可以追溯到上个世纪年代。对于扫描探针显微术的最初研究可以追溯到上个世纪年代。1928 1
9、928年英国科学家年英国科学家SyngeSynge提出了扫描探针近场光学显微镜的概念。他提出了扫描探针近场光学显微镜的概念。他提出制造一个玻璃的针尖，在这个针尖的末端有一个极小的照相机的光提出制造一个玻璃的针尖，在这个针尖的末端有一个极小的照相机的光圈，然后用这个针尖对待测样品作一行行的扫描。他后来也提出了对样圈，然后用这个针尖对待测样品作一行行的扫描。他后来也提出了对样品进行压电式扫描的想法。但由于种种原因，他的工作没有受到注意。品进行压电式扫描的想法。但由于种种原因，他的工作没有受到注意。直到直到19561956年，年，O OKeefeKeefe重新研究了相同的想法。这次，重新研究了相同的
10、想法。这次，O OKeefeKeefe研究了光在一个研究了光在一个100100埃的狭逢中的传播，指出了该技埃的狭逢中的传播，指出了该技术有望达到术有望达到100100埃的分辨率。但不幸的是，他断言相关的技术埃的分辨率。但不幸的是，他断言相关的技术还不成熟，实验方面的工作还不具有可行性，因此他放弃了进还不成熟，实验方面的工作还不具有可行性，因此他放弃了进一步的研究。一步的研究。BaezBaez之后用声波的方法一一核实了这些概念。之后用声波的方法一一核实了这些概念。1972 1972年，年，AshAsh和和NichollsNicholls两人使用两人使用3cm3cm波长的微波辐射波长的微波辐射做成
11、了世界上第一个近场高分辨率扫描显微镜。他们达到做成了世界上第一个近场高分辨率扫描显微镜。他们达到了了150150微米的分辨率（波长的二百分之一）微米的分辨率（波长的二百分之一）.1981 1981年年IBMIBM的的Gerd.Binnig Gerd.Binnig 和和Heinrich RohrerHeinrich Rohrer制成了世界上第制成了世界上第一台扫描隧道显微镜，由此人类第一次获得了原子尺度上的图像。一台扫描隧道显微镜，由此人类第一次获得了原子尺度上的图像。二人因此项工作获得了诺贝尔奖。自此二人因此项工作获得了诺贝尔奖。自此SPMSPM的发展日新月异。的发展日新月异。第8页，本讲稿共
12、34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的原原理理 扫描探针显微镜的原理扫描探针显微镜的原理 当探当探针与与样品表面品表面间距小到距小到纳米米时，按照近代量子力学的，按照近代量子力学的观点，由于探点，由于探针尖端的原子和尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，品表面的原子具有特殊的作用力，并且并且该作用力随着距离的作用力随着距离的变化非常化非常显著。当探著。当探针在在样品表面来品表面来回回扫描的描的过程中，程中，顺着着样品表面的形状而上下移品表面的形状而上下移动。独特的反。独特的反馈系系统始始终保持探保持探针的力和高度恒定，一束激光从的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反臂梁上反射到感知器，射到
13、感知器，这样就能就能实时给出高度的偏移出高度的偏移值。样品表面就能品表面就能记录下来，最下来，最终构建出三构建出三维的表面的表面图。第9页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的原原理理 扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)主要包主要包括扫描隧道显微镜括扫描隧道显微镜(STM)和原子和原子力显微镜力显微镜(AFM)两种功能两种功能。第10页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的原原理理 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，工作原理是利用电子隧道现象，将样品本身作为一具电极，另一个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移近样品，并在另一
14、个电极是一根非常尖锐的探针。把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃时，由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并由于隧道效应在探针与样品表面之间就会产生隧穿电流，并保持不变。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，保持不变。若表面有微小起伏，那怕只有原子大小的起伏，也将使穿电流发生成千上万倍的变化。这些信息输入电子计也将使穿电流发生成千上万倍的变化。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和
15、半导体表面的测定。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。第11页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的原原理理 原子力显微镜原子力显微镜 主要包括接触模式、非接触主要包括接触模式、非接触模式和轻敲模式。一个对力非常模式和轻敲模式。一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触、小的探针，当探针轻微地接触、接近或轻敲样品表面时，由于探接近或轻敲样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形
16、变信号转换成光电信号并进的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。这些信息输的微弱变化的信号。这些信息输入电子计算机，经过处理即可在入电子计算机，经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维荧光屏上显示出一幅物体的三维图像。图像。第12页，本讲稿共34页 扫描探针显微镜正在迅速地被应用于扫描探针显微镜正在迅速地被应用于扫描探针显微镜正在迅速地被应用于扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如纳米技术，催化科学研究的许多领域，如纳米技术，催化科学研究的许多领域，如纳米技术，催化科学研究的许多领域，如纳米技术，催化新材料，生命科
17、学，半导体科学等，并且新材料，生命科学，半导体科学等，并且新材料，生命科学，半导体科学等，并且新材料，生命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大的科研成果取得了许多重大的科研成果取得了许多重大的科研成果取得了许多重大的科研成果.扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应应用用第13页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应应用用 扫描探针显微镜的特点扫描探针显微镜的特点 1.1.分辨率高分辨率高分辨率高分辨率高HMHM：高分辨光学显微镜；：高分辨光学显微镜；PCMPCM：相反差显微镜；：相反差显微镜；(S)TEM(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；：（扫描）透射电子
18、显微镜；FIM：场离子显微镜；：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜：反射电子显微镜 横向分辨率横向分辨率横向分辨率横向分辨率可达0.1nm纵向分辨率纵向分辨率纵向分辨率纵向分辨率可达0.01nm第14页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应应用用 2、可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期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。性或不具备周期性的表面结构研究。性或不具备周期性的表面结构研究。性或不具备周期性的表面结构
19、研究。应用：应用：应用：应用：可用于表面扩散等动态过程的研究可用于表面扩散等动态过程的研究可用于表面扩散等动态过程的研究可用于表面扩散等动态过程的研究。3 3 3 3、可可可可以以以以观观观观察察察察单单单单个个个个原原原原子子子子层层层层的的的的局局局局部部部部表表表表面面面面结结结结构构构构，而而而而不不不不是是是是体体体体相相相相或或或或整个表面的平均性质。整个表面的平均性质。整个表面的平均性质。整个表面的平均性质。应应应应用用用用：可可可可直直直直接接接接观观观观察察察察到到到到表表表表面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷、表表表表面面面面重重重重构构构构、表表表表面面面面吸吸吸吸附附附附体体体体
20、的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。4 4 4 4、可可可可在在在在真真真真空空空空、大大大大气气气气、常常常常温温温温等等等等不不不不同同同同环环环环境境境境下下下下工工工工作作作作，甚甚甚甚至至至至可可可可将将将将样样样样品品品品浸浸浸浸在在在在水水水水和和和和其其其其它它它它溶溶溶溶液液液液中中中中，不不不不需需需需要要要要特特特特别别别别的的的的制制制制样样样样技技技技术术术术，并并并并且且且且探探探探测过程对样品无损伤。测过程对样品无损伤。测过程
21、对样品无损伤。测过程对样品无损伤。应应应应用用用用：适适适适用用用用于于于于研研研研究究究究生生生生物物物物样样样样品品品品和和和和在在在在不不不不同同同同试试试试验验验验条条条条件件件件下下下下对对对对样样样样品品品品表表表表面面面面的的的的评评评评价价价价，例例例例如如如如对对对对于于于于多多多多相相相相催催催催化化化化机机机机理理理理、超超超超导导导导机机机机制制制制、电电电电化化化化学学学学反反反反应过程中电极表面变化的监测等。应过程中电极表面变化的监测等。应过程中电极表面变化的监测等。应过程中电极表面变化的监测等。第15页，本讲稿共34页扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应
22、应用用 5 5 5 5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信、配合扫描隧道谱，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、电荷息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷息，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。密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。6 6 6 6、在技术本身，、在技术本身，、在技术本身，、在技术本身，SPMSPM
23、SPMSPM具有的设备相对简单、体积小、具有的设备相对简单、体积小、具有的设备相对简单、体积小、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、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、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，同时制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPMSPMSPMSPM的的的的日常维护和运行费用也十分低廉。日常维护和运行费用也十分低廉。日常维护和运行费用也十分低廉。日
24、常维护和运行费用也十分低廉。第16页，本讲稿共34页SFM images of double-stranded DNA(dsDNA)adsorbed on a graphite surface modified with CH3(CH2)11NH2 molecules.Manipulation was performed by bringing the tip in contact with the surface and moving it in the desired direction,using homemade manipulation hardwire and softwire;(
25、a)ds-plasmid DNA molecules as deposited;(b)after stretching two of them along the arrows(c)after manipulation of the same molecules into triangles;(d)seven-letter word written with a polydisperse sample of linear dsDNA;(e)magnified view of the square marked in(b);(f)magnified view of the square mark
26、ed in(c)11.扫描探针显微镜的其他应用扫描探针显微镜的其他应用&通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子通过显微镜探针可以操纵和移动单个原子或分子扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应应用用|双链双链DNA吸附在石墨表面用吸附在石墨表面用CH3(CH2)11NH2分子改性。操作过程是这样的，分子改性。操作过程是这样的，将探针与表面接触，然后使用自制的操纵硬件向一定方向移动。将探针与表面接触，然后使用自制的操纵硬件向一定方向移动。a.是双是双链质粒链质粒DNA分子的交存；分子的交存；b.其中其中
27、2个顺着箭头方向拉伸之后；个顺着箭头方向拉伸之后；c.同样的分同样的分子进行操作后形成三角形；子进行操作后形成三角形；d.用线性双链用线性双链DNA的分散样品写的的分散样品写的7个字母；个字母；e.放大放大b图中的方块部分；图中的方块部分；f.放大放大c图中方块的部分。图中方块的部分。第17页，本讲稿共34页微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性微米纳米结构表征，粗糙度，摩擦力，高度分布，自相关评估，软性材料的弹性和硬度测试材料的弹性和硬度测试材料的弹性
28、和硬度测试材料的弹性和硬度测试高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性高分辨定量结构分析以及掺杂浓度的分布等各种材料特性失效分析失效分析失效分析失效分析:缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的缺陷识别，电性测量（甚至可穿过钝化层）和键合电极的摩摩擦特性擦特性生物应用生物应用生物应用生物应用:液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维液体中完整活细胞成象，细胞膜孔隙率和结构表征，生物纤维测量，测量，DNADNA成像和局部弹性测量成像和局部弹性测量硬盘检查硬盘检查硬
29、盘检查硬盘检查:表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写表面检查和缺陷鉴定，磁畴成象，摩擦力和磨损方式，读写头表头表薄膜表征薄膜表征薄膜表征薄膜表征:孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒孔隙率分析，覆盖率，附着力，磨损特性，纳米颗粒和岛屿的分布和岛屿的分布扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的特特点点与与应应用用扫描探针显微镜的其他应用扫描探针显微镜的其他应用第18页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望存在的问题存在的问题 由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成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
30、技术低；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（目前难以突破100m100m量级），而机械调节精度又无法量级），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，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；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，垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级，
31、扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面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；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（采用探针重建可半径及各向异性都会引起成像的失真（采
32、用探针重建可以部分克服）。以部分克服）。第19页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望最新展望和应用 1）作为电子束发射装置作为电子束发射装置 由于由于STM的针尖和样品表面间存在的针尖和样品表面间存在隧道电流作用，因此可以利用它来作弹隧道电流作用，因此可以利用它来作弹道电子注入。通过测量这个电流，道电子注入。通过测量这个电流，Bell和和Kaiser得以测量埋在样品表面下的肖得以测量埋在样品表面下的肖特基势垒的深度特基势垒的深度1213。这项技术被。这项技术被称作弹道电子发射显微镜（称作弹道电子发射显微镜（BEEM）。）。自此以后，弹道电子发射谱被广泛的应自此以后，弹道电子发射
33、谱被广泛的应用在其他方面的研究中用在其他方面的研究中12，包括对肖，包括对肖特基势垒的研究，对双层结构共振态的特基势垒的研究，对双层结构共振态的研究，研究，CuPt型阵列的研究，量子点的研型阵列的研究，量子点的研究上。究上。第20页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望 新近发展起来一种技术叫做新近发展起来一种技术叫做BEMM（弹道电子磁场谱）（弹道电子磁场谱）14，是，是BEEM的技术加上巨磁阻效应。它是和的技术加上巨磁阻效应。它是和铁磁非铁磁铁磁薄膜半导体铁磁非铁磁铁磁薄膜半导体基底基底一起使用的。在恒流模式下，通过一起使用的。在恒流模式下，通过STM针尖，将电子注入到该结构
34、上。电子针尖，将电子注入到该结构上。电子在通过第一个铁磁薄膜时将被自旋极化。在通过第一个铁磁薄膜时将被自旋极化。极化的电子然后进入铁磁金属半导体异极化的电子然后进入铁磁金属半导体异质结，如果两个铁磁薄膜是平行磁性质结，如果两个铁磁薄膜是平行磁性(P)的，则通过的效率最高，如果是反平行磁的，则通过的效率最高，如果是反平行磁性的（性的（AP），则通过的效率最低（巨磁），则通过的效率最低（巨磁阻效应阻效应16）。这就我们就可以通过隧穿）。这就我们就可以通过隧穿电流大小的变化来研究薄膜磁性、弹道电电流大小的变化来研究薄膜磁性、弹道电子输运等过程子输运等过程15。第21页，本讲稿共34页存存在在的的问问
35、题题及及其其展展望望 在自旋电子学方面的应用也是振奋人在自旋电子学方面的应用也是振奋人心的。自旋电子学是利用电子的自旋的心的。自旋电子学是利用电子的自旋的方向（上或下）来表示传统信息学里方向（上或下）来表示传统信息学里的的0和和1。目前这们新兴学科所面临的重。目前这们新兴学科所面临的重大难题是足够高的自旋注入效率。人们大难题是足够高的自旋注入效率。人们利用有磁性探头的利用有磁性探头的STM,将自旋极化的弹将自旋极化的弹道电子注入金属半导体异质结，来研道电子注入金属半导体异质结，来研究注入效率与异质结结构的关系究注入效率与异质结结构的关系17。人们发现真空的隧道结能够有效地将自人们发现真空的隧道
36、结能够有效地将自旋注入电子中，隧道结的边界还能保存旋注入电子中，隧道结的边界还能保存自旋极化。在自旋极化。在100K下，用一个下，用一个100自自旋极化的旋极化的STM探头作为电子源将极化的探头作为电子源将极化的电子注入电子注入p型型GaAs的表面，并同时记录的表面，并同时记录下了重组发光的极化程度，结果表明，下了重组发光的极化程度，结果表明，高度自旋极化流高度自旋极化流(92)能够被注入能够被注入GaAs18。第22页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望2 2）在生物学方面的应用。在生物学方面的应用。扫描探针显微术扫描探针显微术(SPM)现已广泛用于现已广泛用于生物学研究生物
37、学研究,形成了一门新的学科形成了一门新的学科纳米生物学纳米生物学(Nanobiology)19。SPM在生物方面的主要优点是在生物方面的主要优点是1920：（1）它极高的三维图像分辨率。它极高的三维图像分辨率。（2）它可以在气体和液体环境下工作。它可以在气体和液体环境下工作。这比生物学领域传统使用的电子显微镜这比生物学领域传统使用的电子显微镜要好得多。要好得多。SPM的这项优点使得生物学的这项优点使得生物学的研究者可以在生物活体情况下研究生的研究者可以在生物活体情况下研究生物学样品。物学样品。第23页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望 （3）SPM也不需要对生物体进行重也不需
38、要对生物体进行重金属着色，也不像电子显微镜一样将金属着色，也不像电子显微镜一样将生物体暴露在高能电子束下而带来对生物体暴露在高能电子束下而带来对有机体的极大损害。有机体的极大损害。（4）SPM不依赖于你得到的样品的数不依赖于你得到的样品的数量、形式，不依赖于你是否得到晶体。量、形式，不依赖于你是否得到晶体。举例来说，举例来说，19X 射线衍射方法是目前射线衍射方法是目前研究藻胆蛋白及其他蛋白质晶体结构的研究藻胆蛋白及其他蛋白质晶体结构的有效手段有效手段,且分辨率很高。但这一方法且分辨率很高。但这一方法首先必须要求得到蛋白质的晶体首先必须要求得到蛋白质的晶体,所以所以,种类繁多的藻胆蛋白到目前为
39、止仅有为种类繁多的藻胆蛋白到目前为止仅有为数很少的几种得到数很少的几种得到X 射线衍射结果。但射线衍射结果。但用用STM可以直接观察非晶体状态下的藻可以直接观察非晶体状态下的藻胆蛋白的结构胆蛋白的结构.第24页，本讲稿共34页存存在在的的问问题题及及其其展展望望 在生物学领域在生物学领域SPM最大的不足之处：最大的不足之处：SPM一般只能研究样本表面部分的一般只能研究样本表面部分的性质，同时，它的扫描速度也非常低，通性质，同时，它的扫描速度也非常低，通常每张图片要一分钟左右。一个普通的常每张图片要一分钟左右。一个普通的SPM设备的价位在常规光学显微镜和低端设备的价位在常规光学显微镜和低端的电子
40、显微镜之间。和扫描隧道显微镜相的电子显微镜之间。和扫描隧道显微镜相比，想操纵好一个电子显微镜，你需要拥比，想操纵好一个电子显微镜，你需要拥有长时间的操作经验和方方面面的技巧。有长时间的操作经验和方方面面的技巧。第25页，本讲稿共34页总总结结|以上是对以上是对SPM的起源发展及其工作原的起源发展及其工作原理的介绍，同其他的表面分析仪器相理的介绍，同其他的表面分析仪器相比，如光学和电子显微镜等，比，如光学和电子显微镜等，SPM有有着诸多优势，它有其他表面分析仪器着诸多优势，它有其他表面分析仪器所无法比拟的分析分辨率，其纳米量所无法比拟的分析分辨率，其纳米量级上的表面形貌描述，能使人们对样级上的表
41、面形貌描述，能使人们对样品表面有了直观的映像。此外它不仅品表面有了直观的映像。此外它不仅可以作为一种测量工具，还可以利用可以作为一种测量工具，还可以利用其合适的探针对物质进行加工、改性。其合适的探针对物质进行加工、改性。是人们认识微观世界改造微观世界的是人们认识微观世界改造微观世界的有利工具。有利工具。第26页，本讲稿共34页总总结结|目前对于目前对于SPM的研究主要在的研究主要在3个方面：个方面：1，对，对SPM 的针尖研究，针尖是的针尖研究，针尖是SPM工作的关键，对于测量的分辨率起到工作的关键，对于测量的分辨率起到至关重要的作用。研究新的针尖工艺，至关重要的作用。研究新的针尖工艺，提高针
42、尖的尖度和针尖使用寿命都是提高针尖的尖度和针尖使用寿命都是今后长期研究的一个目标；今后长期研究的一个目标；2,在在SPM方方面主要是对针尖偏置电压的研究。研面主要是对针尖偏置电压的研究。研究如何控制偏置电压达到一个合适的究如何控制偏置电压达到一个合适的值，使得既有利于电子迁移，又不会值，使得既有利于电子迁移，又不会因为电化学反应对针尖起到腐蚀作用；因为电化学反应对针尖起到腐蚀作用；3,对于针尖和样品表面距离的研究，如对于针尖和样品表面距离的研究，如何找到合适的距离，做到既没有降低何找到合适的距离，做到既没有降低分辨率又能很好地保护探针，延长其分辨率又能很好地保护探针，延长其使用寿命。使用寿命。
43、第27页，本讲稿共34页参考文献|1 Baker,S.E.;Tse,K.-Y.;Hindin,E.;Nichols,B.M.;Lasseter Clare,T.;Hamers,R.J.;Chem.Mater.,2005,17:4971.|2 Liu,G.;Yan,X.;Lu,Z.;Curda,S.A.;Lal,J.;Chem.Mater.,2005,17:4985.|3 Pang,S.;Kondo,T.;Kawai,T.;Chem.Mater.,2005,17:3636.|4 Fan,R.;Karnik,R.;Yue,M.;Li,D.;Majumdar,A.;Yang,P.;Nano Lett
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45、uge,T.;Iwata,T.;Abe,H.;Doi,Y.;Biomacromolecules,2004,5:2186.|9 Rong,W.Z.;Pelling,A.E.;Ryan,A.;Gimzewski,J.K.;Friedlander,S.K.;Nano Lett.,2004,4:2287.|10 Maltezopoulos,T.;Kubetzka,A.;Morgenstern,M.;Wiesendanger,R.;Appl.Phys.Lett.,2003,83:1011.|11 Severin.N.;Barber,J.;Kalachev,A.A.;Rabe,J.P.;Nano.Lett
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47、完绍龙,半导体技术28,7(2003)|18 LABELLA V P，BULLOCK D W，DING Z，etal Science，2001，292：15181521|19 张玉忠 时东霞等 生物化学与生物物理学报29，521（1997）|20 J.K.H.Hrber and M.J.Miles 10.1126/science.1067410第28页，本讲稿共34页&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或分子的表面特性氧化锌薄膜的AFM图(单位：nm)氧化锌颗粒的颗粒比例图（a）和粒度分布图（b）扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的应应用用第29页，本讲稿共34页&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或
48、分子的表面特性乳胶薄膜的AFM图(A)和三维立体图(B)(单位:nm)AB有严重缺陷(A)和较为完美(B)的高分子镀膜（单位:nm)AB扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的应应用用第30页，本讲稿共34页 a)STM image of the short-range ordering of head-to-tail coupled poly(3-dodecylthiophene)on highly oriented pyrolytic graphite(20 20nm);b)calculated model of poly(3-dodecylthiophene)corresponding to t
49、he area enclosed in the white square in(a);c)three-dimensional image of 3 showing submolecular resolved chains and folds(9.39.3nm2)6&呈现原子或分子的表面特性呈现原子或分子的表面特性扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的应应用用|a.高取向热解石墨上聚乙烯高取向热解石墨上聚乙烯3-十二烷噻吩头尾相接，短程有序的十二烷噻吩头尾相接，短程有序的STM图像图像|b.a图中白框区域内聚乙烯图中白框区域内聚乙烯3-十二烷噻吩计算得到的模型十二烷噻吩计算得到的模型|c.亚分子链接和
50、褶皱的三维立体图像亚分子链接和褶皱的三维立体图像第31页，本讲稿共34页&用于研究物质的动力学过程用于研究物质的动力学过程用于研究物质的动力学过程用于研究物质的动力学过程(a-c)Time-sequenced constant-current(height mode)STM images showing the nucleation and growth of benzenethiol(BT)molecules at Pt()potentiostated at 0.15V in 0.1M HClO47.扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的应应用用|0.15V恒压下，在恒压下，在0.1MHClO4溶