对比学习扫描隧道显微镜(STM)与原子力显微镜(AFM)

　　1 STM

　　1.1 STM工作原理

　　扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

　　尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。

　　图1 STM的基本原理图

　　1.2 STM工作模式

　　根据针尖与样品间相对运动方式的不同，STM有两种工作模式：恒电流模式（a）和恒高模式（b）。

　　（a）恒电流模式

　　（b）恒高度模式

　　图2 STM扫描模式示意图

　　恒电流模式：扫描时，在偏压不变的情况下，始终保持隧道电流恒定。

　　恒高模式：始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫描，随样品表面高低起伏，隧道电流不断变化。所得到的STM图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构，而且还反映了原子的电子结构特征。

　　恒电流模式是扫描隧道显微镜最常用的一种工作模式。以恒电流模式工作时，由于STM的针尖是随着样品表面的起伏而上下运动，因此不会因表面起伏太大而碰撞到样品表面，所以恒电流模式适于观察表面起伏较大的样品。

　　恒高模式工作时，由于针尖的高度恒定不变，所以仅适用于观察表面起伏不大的样品。但在恒高模式下工作，获取STM图像快，且能有效地减少噪音和热漂移对隧道电流的干扰，提高分辨率。

　　1.3 STM特点

　　图3 STM与TEM、SEM、FIM及AES的特性比较

　　与TEM、SEM等分析技术相比，扫描隧道显微镜具有如下特点：

　　1）STM结构简单。

　　2）其实验可在多种环境中进行：如大气、超高真空或液体（包括在绝缘液体和电解液中）。

　　3）工作温度范围较宽，可在mK到1100K范围内变化。这是目前任何一种显微技术都不能同时做到的。

　　4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分辨率可以分别达到0.1nm和0.01nm。因此可直接观察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三维结构图像。

　　5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表面的扫描隧道谱（STS），从而可以研究材料表面化学结构和电子状态。

　　6）不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。

　　1.4 STM应用

　　利用扫描隧道显微镜可直接观测材料表面原子是否具有周期性的表面结构特征，表面的重构和结构缺陷等。

　　图4 在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图像

　　图5 利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图

　　（a）Si(100)-2×1表面 表面尺寸为6.0nm×6.0nm

　　（b）Si(100)-2×1表面 尺寸为10.6nm×10.6nm

　　图6 硅表面的原子图像

　　图（a）中可看到Si(100)-2×1表面上有两个Si原子组成的二聚体结构以及由这些二聚体形成的二聚体列。图（b）中可观察到Si(100)-2×1表面上的单原子台阶和不同种类的单原子缺陷。

　　2 AFM

　　2.1 AFM工作原理

　　原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术，它们的主要不同点是扫描隧道显微镜检测的是针尖和样品间的隧道电流，而原子力显微镜检测的是针尖和样品间的力。

　　AFM可以研究绝缘体样品的表面结构。AFM分辨率：横向0.15nm，纵向0.05nm。STM分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nm。

　　AFM不但可测样品的表面形貌，达到接近原子分辨率，还可测量表面原子间的力，测量表面的弹性，塑性，硬度，粘着力，摩擦力等性质。

　　图7 AFM的工作原理

　　2.2 AFM工作模式

　　在原子力显微镜成像模式中，根据针尖与样品间作用力的不同性质可分为：接触模式，非接触模式，轻敲模式。

　　1) 接触成像模式：针尖在扫描过程中始终同样品表面接触。针尖和样品间的相互作用力为接触原子间电子的库仑排斥力（其力大小为10-8~10-6N）。优点为图像稳定，分辨率高，缺点为由于针尖和样品间粘附力的作用等因素影响，可影响成像质量。

　　2) 非接触成像模式：当针尖在样品表面扫描时，始终保持不与样品表面接触（一般保持5~20nm的距离）。在非接触模式中， 针尖与样品间的作用力是长程力——范德华吸引力。由于针尖始终不与样品表面接触，因而避免了接触模式中遇到的一些问题。缺点是由于范德华力非常小，因此比接触模式的分辨率较低，并且不适合于液体中成像。

　　3) 轻敲成像模式：同非接触模式相似， 在针尖扫描过程中，微悬臂也是振荡的，其振幅比非接触模式更大，同时针尖在振荡时间断地与样品接触。优点是分辨率高（近乎等同接触模式）；可应用于柔软、易碎和粘附性样品；由于作用力是垂直的，材料表面受横向摩擦力、压缩力、剪切力的影响较小。

　　2.3 AFM应用举例

　　由于原子力显微镜对所分析样品的导电性无要求，因此使其在诸多材料领域中得到了广泛应用。

　　图8 ITO薄膜

　　透明导电的ITO薄膜，随着成膜方法、膜厚、基底温度等成膜条件变化， 而表面形貌不同。将膜厚120nm（左）与450nm（右）的ITO薄膜进行比较时，随着膜厚的增加，每个结晶颗粒明显地长大。另外，明显地观察到溅射生长法特有的晶粒－亚晶粒结构。

　　图9 牙齿的蜂窝状结构

　　观察被酸腐蚀的牙齿釉质表面。由于釉质的磷灰石结晶的差别，腐蚀出粗糙的蜂窝状表面。在与口腔内中类似的水溶液中观察。（使用培养皿型的液体池）

　　图10 力-距离曲线

　　原子力显微镜可作为纳米级的“压痕器”，用来测量材料的弹性、塑性、硬度等性质。