探究扫描探针显微镜工作原理

扫描探针显微镜是一种新型的探针显微镜，是从扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜（原子力显微镜，静电力显微镜，磁力显微镜，扫描离子电导显微镜，扫描电化学显微镜等）的统称。它是近年来世界上迅速发展起来的一种表面分析仪器。

扫描探针显微镜原理及结构：

扫描探针显微镜的基本工作原理是利用探针与样品表面原子和分子之间的相互作用，即当探针与样品表面接近纳米尺度时，形成各种相互作用的物理场，通过检测相应的物理量，得到样品的表面形貌。扫描探针显微镜由探头、扫描仪、位移传感器、控制器、检测系统和图像系统组成。

控制器通过扫描器沿垂直方向移动样品，使探头与样品之间的距离（或物理量的相互作用）稳定在一个固定的值上；同时，控制器在X-Y水平面移动样品，使探头按照扫描路径扫描样品表面。扫描探针显微镜在稳定探针与样品之间的距离的条件下，检测探针与样品之间的相互作用的相关物理信号，在稳定的相互作用物理量的情况下，通过位移传感器在垂直方向上检测探针与样品之间的距离。图像系统可以根据检测信号（或探头与样品之间的距离）对样品表面进行成像。

根据探针与样品相互作用的不同物理场，将扫描探针显微镜分成不同系列的显微镜。扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）是两种扫描探针显微镜。扫描隧道显微镜(STM)通过测量探针和样品之间的隧道电流来检测样品的表面结构。AFM通过光电位移传感器检测探针与样品之间的相互作用力（吸引力或排斥力）引起的微悬臂梁变形。

扫描探针显微镜

扫描探针显微镜的特点：

除了场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜外，扫描探针显微镜是在场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜后，在原子尺度上观察物质结构的第三类显微镜。以扫描隧道显微镜（STM）为例，其横向分辨率为0.1~0.2nm，纵向深度分辨率为0.01nm，可以清晰地观察到分布在样品表面的单个原子或分子。同时，在空气、其他气体或液体环境中也可以观察到扫描探针显微镜。

扫描探针显微镜具有原子分辨率、原子输运、纳米微加工等特点，但由于各种扫描显微镜的工作原理不同，其结果反映了样品表面的不同信息。扫描隧道显微镜(STM)测量样品表面的电子工位的分布信息，该信息具有原子分辨率，但仍不能获得样品的真实结构。原子显微镜检测原子间相互作用的信息，从而获得原子在样品表面排列的信息，这是样品的真实结构。另一方面，原子力显微镜无法测量与理论相比较的电子状态信息，因此它们各自具有较短的长度。

扫描探针显微镜控制技术：

SPM的控制需要克服压电驱动器的迟滞、蠕变和振动特性，实现水平面扫描轨迹的跟踪和垂直面上探针与样品表面距离的精确控制。

扫描探针显微镜

1、水平方向控制

水平方向控制使得探头能够通过控制压电致动器在样品表面上完成重复的光栅扫描，即，在X轴上重复地和快速地跟踪三角波轨迹，并且在Y轴上相对缓慢地跟踪斜率轨迹。水平方向控制使SPM探头能够在样品表面快速准确地跟踪扫描轨迹，从而实现SPM的高速扫描精度和扫描速度。

2、竖直方向控制

扫描探针显微镜的垂直方向由压电致动器控制，以控制探针和样品表面之间的距离，使得探针和样品表面之间的物理相互作用是最稳定的(或者探针和样品表面之间的距离以固定值稳定)。垂直定向精度直接影响SPM和纳米操作的成像精度，定位速度影响SPM的成像速度。

样品的表面轮廓是unknown。探针与样品之间的相互作用非常敏感，相互作用非常复杂，这使得难以在垂直方向上实现快速而准确的定位。扫描探针显微镜垂直方向控制的功能是在克服上述问题的基础上，实现探针在垂直方向上的准确、快速定位。

3、MIMO控制

扫描探针显微镜控制器需要同时控制水平扫描和垂直定位。水平平面x轴的高速运动会引起轴向振动，水平高速扫描也会引起探头与样品之间的垂直振动。耦合引起的定位误差严重影响SPM的成像质量，甚至损坏探针和扫描样品。