扫描探针显微镜(包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜-原理及应用

扫描探针显微镜(SPM)是什么?

自然纳米技术研究工程师的进化在更小的尺度上也推动显微技术的发展,图像和控制纳米结构。使用最广泛的技术之一来实现这是扫描探针显微镜(SPM),一个探针是扫描表面逐点建立一个原子分辨率的图像。与经典光学显微镜和电子束显微镜,这种类型的显微镜显示细节远远超出了光学分辨率极限(通常为几百纳米¹),也允许对表面形貌,导致一种范式转移,物质在纳米尺度上的理解。

扫描探针显微镜的发展开始扫描隧道显微镜的发明于1981年Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在IBM苏黎世研究实验室,赢得他们1986年的诺贝尔物理学奖。这一发现播种全家的SPM技术的发展,这使探测纳米电子,^2,3,4机械、^5,6磁,^7,8热^9,10和化学¹¹属性不易探测到光的意思。除了成像表面在纳米尺度上,这些扫描探针也可以用来操纵纳米级物质,例如位置单个原子在表面。¹²在本文中,我们将首先关注的两个最广泛使用的SPM的变体,扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM),紧随其后的是一些更专业的概述这些技术为特定应用程序的变种。

类型的扫描探针显微镜,扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜是什么?

STM使用纳米探针测量地形和当地的电子性质通过扫描探针在样品表面。技巧是在表面扫描,这些属性的地图可以建立光学显微镜的分辨率大大超过,它允许真正的纳米特性可视化到单个原子的水平。

扫描隧道显微镜是如何工作的呢?

STM利用量子力学从大幅电子隧穿现象,进行提示在纳米级导电表面距离低于1海里¹³(图1)。偏压时应用技巧和表面之间的隧道使电流,即使他们不接触。这种现象源于电子收益率的波动量子力学性质有限概率的一个电子穿越,因此当前的差距,这是不可能的经典画面。

隧穿电流的大小有一个指数依赖分离,这使得它对地表地形高度敏感。同时,当前还与当地有关电子性质(表面态密度)和探针本身,使STM敏感身高和电子性质。尖端确保电流是限制在一个非常小的区域,只有一个非常小的样本区域探测在给定的位置。通过监控扫描穿隧电流而引起表面,表面形貌和电子性质可以映射出(图1 b)。这里的一个关键方面是高精度压电定位器的使用,使扫描和定位的冰山在水面上事实上决议。最终,STM的高分辨率的结果的极端敏感性分离的结合隧穿电流的高精度定位。

STM通常表现在两个不同的操作模式,这取决于应用程序:高度不变模式和恒流模式(图2)。在高度不变模式中,提示扫描表面在一个固定的分离和隧穿电流的变化记录,直接关系到地表地形。在恒流模式下,一个反馈回路是用来改变提示高度保持隧道电流恒定的技巧是在表面扫描,和电压应用于压电高度控制记录。这种模式是较慢的两个,探针的高度需要不断的调整。平面上,这种模式使当地电子密度进行映射,而对于表面粗糙,最终的图像可以来自当地的电子密度和地形。

扫描穿隧显微镜图

图1:扫描隧道显微镜的工作原理。)和b)急剧进行顶是带进靠近导电样品表面和偏置电压,导致隧穿电流穿过一个小缺口。当前由高增益放大器读出。c)压电扫描系统是用来控制端面分离和扫描整个表面。当前振幅可以作为直接测量端面分离时,技巧是保持在一个恒定的高度,使地形成像。或者,一个反馈回路可以用来维持一个恒定电流通过改变控制电压的定位系统,这是记录和收益率衡量地形和电子密度的样品。

图 2 : STM扫描模式。)恒流模式:提示高度调整的反馈回路,隧穿电流保持不变,并记录提示高度直接相关示例地形。b)高度不变模式:技巧是保持在一个恒定的高度是扫描样本和隧穿电流的记录,这是与表面形貌和电子电荷密度有关。

优势、局限性和常见问题

STM的关键优势相对于其他显微技术是它的分辨率极高,使表面形貌和电子属性映射和更大的细节相比,例如,光学显微镜技术。

STM的主要限制是它需要一个导电样品表面工作,这限制了材料的类型,可以用它学习。相比,光学和电子显微镜技术,采集时间和面积的大小,可以研究也受到这一事实调查或样本本身需要扫描建立一个图像,相比直接光学成像或快速、大面积扫描电子束扫描显微镜。此外,对于样品不自动公寓,也有不均匀的电子性质,很难区分每个最终图像的贡献,尤其是在恒流模式。

STM的一个关键问题是高灵敏度测量的外部因素如机械振动和电子噪声。这些可以通过诱导有害的不必要的运动技巧或添加噪声虚弱隧穿电流信号,这两个结果在文物,可以渲染成像不可能的。出于这个原因,STMs往往是大型机器,需要建立在震动环境中,¹³在高真空和在低温下操作¹⁴和使用极低噪声电子最高的性能。综上所述,这使STM一种昂贵的技术,需要高度专业化的条件最优的结果,尽管DIY爱好者已经表明,也可以构建一个基本的但是具有成本效益的STM在家里。¹⁵

扫描隧道显微镜的应用程序

STM的设计初衷是作为一个原子分辨率成像技术但有深远的影响在一个广泛的基础科学。例如,它允许单个原子的表面是第一次看到¹⁶(图3和图4)和可视化的一个分子轨道。¹⁷在材料科学,它提供了新的见解的纳米特性已知的材料和还支持新的纳米材料如石墨烯的研究¹⁸和碳纳米管¹⁹,以及装配结构组成的单个原子(图5)。在化学、STM允许催化剂的表面粗糙度和电子性质^20.管理他们的性能被理解。尽管许多生物样品不导电,它已经表明,它们可以涂上薄金属薄膜,²¹沉积在导电基板²²在潮湿的条件下或扫描²³这样他们可以用STM研究。

扫描穿隧显微镜图像

图3:黄金的STM图像表面。单个原子和他们的安排是直接可见的。黑带对应于表面的坑,没有原子。来源:欧文雷森。

图 4 : STM图像单个钴铜表面原子。 信贷:NIST,约瑟夫Stroscio等人。

图 5 : STM图像钴原子的量子控制在一个椭圆铜,也用STM组装。波动特性出现在STM图像由于限制的电子控制。 信贷:约瑟夫·a . Stroscio Robert j . Celotta史蒂文·r·布兰肯希普弗兰克·m·赫斯。

类型的扫描探针显微镜,原子力显微镜(AFM)

原子力显微镜是什么?

AFM扫描探针显微镜的一种变体,尖端扫描在表面测量的纳米尺度地形探测技巧与表面的相互作用。

原子力显微镜(AFM)显微镜如何工作?

AFM技术是光学测量挠度的柔性悬臂上的尖端扫描样品表面(图6)。这是通过照射激光检测光反射的技巧和提示使用光电探测器,允许一个极其敏感的尖挠度测量。

AFM可以在不同的操作模式,对应于不同类型的交互与表面。

• 在联系方式,提示进入接触表面和扫描它,这样提示偏转产量的直接测量表面高度。²⁴在这种模式下,提示损伤相当频繁,必须注意,小费不困。
  
• 在动态模式,²⁵悬臂摆动驱动机械在其共振频率的振荡幅度在纳米尺度上²⁶由于高刚度,然后放置在接近水面。技巧是在表面扫描,其机械运动是由separation-dependent纳米改性力量没有身体接触的提示与样品,便于精致的表面。通过不断阅读机械谐振频率、振幅和相位的变化,这些交互在样本地区的地图。这种机械数据包含的信息编码的表面形貌的频率,以及材料接口编码在机械阶段。
  
• 开发模式是一个中级模式的操作技巧是驱动的摆动在共振相对较大的振幅,间歇性地接触表面。在这种模式下,在近距离,提示振荡幅度变化由于纳米与表面的相互作用。nano-positioning系统用于动态调整提示高度恢复原来的振荡幅度,使尖端的表面上的力被映射出来,其地形检索。这种模式特别适合脆弱在液体样品²⁷在环境条件或执行AFM,冷凝不可避免地形成液膜样品。

除了使用不同的成像方式,提示也可以功能化,例如,通过磁允许映射一个表面的磁性,与分子如一氧化碳或解决单个分子轨道。²⁸

原子力显微镜图

图6:的AFM)示意图表示。有尖端的悬臂定位在纳米尺度接近表面,扫描在使用扫描样品阶段。激光聚焦到悬臂及其反射由光电探测器探测到,使敏感的小尖位移检测表面形貌可以重建。b)的扫描电子显微镜AFM悬臂与尖端结束。信贷:yashvant, b)克里斯蒂安Mølhave,复制下Creative Commons归因2.5通用许可证。

优势、局限性和常见问题

AFM的关键力量是,它可以提供非常纳米级样品的高分辨率图像,而不需要一个示例在STM导电。测量过程是纯机械和光学,afm比STM电气噪声不敏感。这也使得他们在不同条件下操作,如真空、低温液体甚至环境条件,它允许多种样本研究。

同时,机械力的检测在阅读的技巧是地形使AFM不精确和难以解释提示不同距离上的多个部队行动同时扩展,^13,26如STM相比,它有一个简单的能的关系。当使用功能化AFM测量磁,电或化学表面属性,资料解释可以进一步复杂自动如果表面不是平的。²⁸

原子力显微镜的应用程序

AFM是由相同的发明家STM和已成为一个共同的基础科学的技术在不同的方面,尤其是在纳米技术、材料科学和生物学。典型的应用程序包括检查自然和人工纳米结构,如细菌、纳米晶体、金属表面和自动薄材料,如图7所示。环境和液体条件下纳米成像的可能性是特别有趣的纳米生物学,AFM允许的地方研究活细胞^29日和细胞膜的力学。^30.

AFM图像

图7:AFM图像的例子。纤维的数组蓝藻颤藻属干玻璃。b)三维图像生成的纳米晶体衬底从AFM数据。c)金属薄膜表面。d)自动薄片状金属氧化物半导体₂在聚合物表面与不同厚度的两个领域。信贷:托比Kurk,复制下Creative Commons Attribution-Share 2.0都通用的许可证,b)和d)的作者,c)相反。ps,复制Creative Commons Attribution-Share都4.0国际许可证。

类型的扫描探针显微镜,扫描探针显微镜变体

基于STM和AFM的广泛成功的新见解nanoworld在广泛的领域,多个SPM技术已经发展为特定目的。在下面,我们将给一个简短的概述的一些最广泛使用的。

扫描开尔文探针显微镜(SKP)

扫描开尔文探针显微镜(SKP)是一种变异的AFM,使得表面局部电势进行映射。这里,提示和表面之间的功函数差结果静电力和小费偏转,可以记录下来。虽然这种技术来研究半导体设备尤其有用^31日如太阳能电池表面腐蚀和涂层性能³²,应用改进的理解细胞转导的详细机制和反应也被提出。³³

扫描扩散阻力显微镜(SSRM)

扫描扩散阻力显微镜(SSRM)是一个扫描探针技术,一个导电提示扫描一个带有偏见的例子表面测量其电特性。特别是,它使映射的电荷载体密度样品的电导和电阻和阅读,比如在半导体样品³⁴(图8)。在这里,一个硬技巧常被用来突破样品表面上的氧化层,并测量的惰性气氛来减少测量样品表面氧化的内在属性。

图8:SSRM。偏见,导电技巧是扫描在联系样本和当前映射示例电导和电阻测量。

冷原子扫描探针显微镜(冷原子SPM)

在冷原子扫描探针显微镜(冷原子SPM),一个被困的超冷原子气体作为探针,而不是固体提示(图9),和它的运动记录。冷原子探针的优势是数量级的软弹簧常数)(低于标准的AFM提示,使敏感测量纳米级部队和极其脆弱的样品,如独立的碳纳米管。³⁵然而,捕获超冷原子接近表面在室温下构成了严重的技术挑战,并有效提示顶点原子的大小远远大于标准小费,导致空间分辨率降低。

图9:冷原子SPM使用困,超冷原子气体探测器而不是一个标准的AFM提示,导致强烈的敏感性增强力量。

扫描近场光学显微镜(SNOM)

扫描近场光学显微镜(SNOM)使样品的光学特性研究与衍射极限分辨率远远超出揭示结构比光波长小得多。在aperture-type SNOM)sub-wavelength光圈,如锥形光纤或洞AFM技巧是照明创建一个消散电磁场紧紧局限于孔径。而在scattering-type SNOM),使用金属包覆AFM(图10)。在这两种情况下,发光探针扫描在表面纳米尺度分离,这样只有一个非常小的区域的表面是明亮的,它允许表面的光学性质研究分辨率极高。SNOM生物样本研究尤其有用³⁶和光子设备,³⁷以及纳米材料如石墨烯。³⁸

图10: SNOM类型。Aperture-type SNOM),使用sub-wavelength大小孔径的损耗电磁场,b) scattering-type SNOM),远场光散射从尖端激发近场隐失场。

结论

在本文中,我们已经讨论了SPM技术特别关注两个最常用,STM和AFM,已被证明在原子分辨率表面分析和揭示纳米部队。我们也认为是这两种技术的变化,提供更深入的洞察一个样本的电气、机械和光学性质在决议远远超出传统的方法。表1典型应用的概述,决议和功能的技术。

表1:总结SPM技术。

类型	测量属性	典型的空间分辨率	应用实例	的优势	限制
扫描隧道显微镜	地形和当地的电子态密度	0.01 - -0.1海里39	成像单个原子、分子轨道和生物样品,如DNA和蛋白质	映射地形和电子性质与原子分辨率	对噪声很敏感,需要昂贵的机械和专用的实验室空间。成像扫描面积小,缓慢,需要一个导电样品。图片很难解释
AFM	地形和地面部队	1海里40	成像纳米结构和测量表面力。活细胞成像	室温操作,使用功能化方法广泛的应用程序,可以使用不导电样品	低分辨率比STM、电子属性不能直接访问,成像速度慢
SKP	当地的功函数的潜力	40µm41	研究半导体掺杂(e . g .太阳能电池),涂料和腐蚀电位以及探索细胞转导	访问局部功函数的潜力,否则是难以衡量	相对较低的空间分辨率
SSRM	当地的表面电荷载流子密度	10纳米34	电导和电阻测量	空间解决全球电子特性的测量通常宣读	可能需要测量真空防止氧化
冷原子SPM	地形和地面部队	10µm35	研究脆弱的纳米材料,如碳纳米管	允许检测小得多比AFM力,适用于极其脆弱的样本	空间分辨率低于AFM,需要原子捕获和测量设置
SNOM)	当地的光学和介电性能	50纳米42	成像和纳米材料研究,如等离子体在石墨烯和绿色荧光蛋白(GFP)的细菌,并探测分子的相互作用	件轻松事学习交互sub-wavelength分辨率和成像材料	需要敏感和昂贵的机器

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