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扫描探针显微镜所具有的独特优点
2018/7/17 15:19:29
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前言：
当历史发展到二十世纪八十年代，一种以物理学为基础、集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器——扫描探针显微镜（STM）诞生了。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达O.1nm，纵向优于O.01nm），它能直接观察到物质表面的原子结构，而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。可以说扫描探针显微镜是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。
扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研究物质的表面上方扫描时检测两者之间的相互作用，以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖 样品相互作用方式的不同。
工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿原理。其核心是一个能在样品表面上扫描、并与样品间有一定偏置电压、其直径为原子尺度的针尖。由于电子隧穿的几率与势垒V(r)的宽度呈现负指数关系，当针尖和样品的距离非常接近时，其间的势垒变得很薄，电子云相互重叠，在针尖和样品之间施加一电压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖，形成隧道电流。通过记录针尖与样品间的隧道电流的变化就可以得到样品表面形貌的信息。
与其它表面分析技术相比，SPM所具有的独特优点：
（2） 可实时地得到在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，这种可实施观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。
（3） 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是个体像或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
（4） 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和对不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。
（5） 配合扫描隧道谱STS（Scanning Tunneling Spectroscopy）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、表面势垒的变化和能隙结构等。