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1、扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPMSEMAFM简介-分类SPM(Scanning Probe Microscopy)l lSTM(Scanning Tunneling Microscopy)STM(Scanning Tunneling Microscopy)l lSFM(Scanning Force Microscopy)SFM(Scanning Force Microscopy)AFM(Atomic Force Microscopy)AFM(Atomic Force Microscopy)LFM(Lateral Force Microscopy)LFM(Lateral Force Micro
2、scopy)MFM(Magnetic Force Microscopy)MFM(Magnetic Force Microscopy)EFM(electric Force Microscopy)EFM(electric Force Microscopy)CFM(Chemical Force Microscopy)CFM(Chemical Force Microscopy)第1页/共41页SPM仪器构造STMSTMl l振动隔绝系统振动隔绝系统l l机械设计机械设计-隧道针尖与隧道针尖与样品间的隧道电流样品间的隧道电流#l l计算机控制系统计算机控制系统AFMAFMl l振动隔绝系统振动隔绝系统l
3、 l机械设计机械设计-力传感器与力传感器与微悬臂的检测微悬臂的检测#l l计算机控制系统计算机控制系统第2页/共41页振动隔绝系统两种类型扰动两种类型扰动l l振动振动-重复性和周期性重复性和周期性l l冲击冲击-瞬态变化瞬态变化适用方法适用方法l l提高仪器固有频率提高仪器固有频率l l使用震动阻尼使用震动阻尼常用减震系统常用减震系统l l合成橡胶冲垫合成橡胶冲垫-降低大幅冲击，共振频率降低大幅冲击，共振频率10100Hz10100Hzl l弹簧悬挂弹簧悬挂-共振频率小共振频率小0.5Hz0.5Hzl l磁性涡流阻尼磁性涡流阻尼-体系质量和自然频率相对底时，涡流阻尼系数体系质量和自然频率相对
4、底时，涡流阻尼系数r=9.69x10r=9.69x10-9 9BLSBLS/p/pl l气动弹簧减震台气动弹簧减震台-0.5Hz-0.5Hz第3页/共41页振动隔绝系统仪器噪音源l l散粒噪音散粒噪音l l负载电阻的负载电阻的JohnsonJohnson噪音噪音l l激光相对强度噪音激光相对强度噪音l l激光相位噪音激光相位噪音l l悬臂的热噪音悬臂的热噪音第4页/共41页振动隔绝系统一般以一般以100Hz100Hz区分高区分高/低频低频振动振动0-1kHz0-1kHz频带频带内的激震影内的激震影响，高频段响，高频段影响甚微影响甚微第5页/共41页机械设计三维扫描控制器扫描针尖第6页/共41页
5、三维扫描控制器针尖与样品位置粗调l l爬行方式爬行方式-利用静电力，机械力或磁力的夹紧并利用静电力，机械力或磁力的夹紧并配合压电陶瓷的膨胀和伸缩，真空中配合压电陶瓷的膨胀和伸缩，真空中l l机械调节方式机械调节方式-单个或多个高精度差分调节螺杆单个或多个高精度差分调节螺杆配合减速原理，可手动或步进电机，大气环境配合减速原理，可手动或步进电机，大气环境中适用中适用l l螺杆与簧片结合方式螺杆与簧片结合方式-高精度调节螺杆顶住差分高精度调节螺杆顶住差分弹簧或簧片系统来调节，低温条件下弹簧或簧片系统来调节，低温条件下第7页/共41页三维扫描控制器微调定位（压电陶瓷材料）l l三角架型，早期使用三角架
6、型，早期使用l l单管扫描器单管扫描器l l十字架配合单管型，可以在一定程度上补偿热十字架配合单管型，可以在一定程度上补偿热漂移的影响漂移的影响第8页/共41页三维扫描控制器第9页/共41页悬臂与针尖（力传感器）STMSTM针尖针尖l l铂铱合金针尖，圆锥型铂铱合金针尖，圆锥型AFMAFM悬臂与针尖（力传感器）悬臂与针尖（力传感器）l lSiSi3 3N N4 4金字塔型针尖金字塔型针尖l l长方形或长方形或V V型悬臂型悬臂l l力传感器要求力传感器要求 低的力弹性常数低的力弹性常数 高的力学共振频率高的力学共振频率 高的横向刚性高的横向刚性 短的悬臂长度短的悬臂长度 传感器带有镜面或电极（
7、光学或隧道电流检测）传感器带有镜面或电极（光学或隧道电流检测）尽可能尖锐的针尖尽可能尖锐的针尖第10页/共41页悬臂与针尖（力传感器）第11页/共41页悬臂与针尖（力传感器）第12页/共41页悬臂与针尖（力传感器）第13页/共41页悬臂与针尖（力传感器）第14页/共41页扫描方式STMSTMl l恒电流模式恒电流模式l l恒高度模式恒高度模式l lI I V Vb bexp(-exp(-AA1/21/2S S)I I-隧道电流隧道电流 V Vb b-针尖和样品间的偏置电压针尖和样品间的偏置电压 A A-常数常数 (1 1+2 2)l l1 1,2 2分别为针尖和样品的功函数分别为针尖和样品的功
8、函数 S S-针尖和样品之间的距离针尖和样品之间的距离第15页/共41页STM扫描方式第16页/共41页扫描方式AFMAFMl l接触式接触式(contact mode)(contact mode)，110nm(110nm(斥力斥力)，1010-8-81010-11-11N Nl l非接触式非接触式(noncontact mode)(noncontact mode)，520nm520nm（范德华力）（范德华力）l l轻敲式轻敲式(tapping mode)(tapping mode)，20nm20nm，1010-9-91010-12-12N Nl l悬臂检测方式悬臂检测方式 隧道电流隧道电流
9、电容法电容法 光束反射法光束反射法第17页/共41页扫描方式第18页/共41页AFM扫描方式第19页/共41页AFM微悬臂的光束反射法探测第20页/共41页SPM探测参数及水平分辨率第21页/共41页SPM9500-J3主要参数第22页/共41页TiO2-Pt DynamicMode 第23页/共41页TiO2-Pt DynamicMode第24页/共41页TiO2-Pt DynamicMode第25页/共41页TiO2-Pt DynamicMode第26页/共41页第27页/共41页AlN第28页/共41页AlN第29页/共41页AlN第30页/共41页AlN第31页/共41页高分子膜 第32页/共41页高分子膜 第33页/共41页NH4Cl枝晶 第34页/共41页NH4Cl枝晶 第35页/共41页NH4Cl枝晶 第36页/共41页NH4Cl枝晶 第37页/共41页牙齿 第38页/共41页牙齿 第39页/共41页MFM 第40页/共41页