什么是扫描探针显微镜?

扫描探针显微镜是可以产生非常高细节(包括原子尺度)的三维表面图像的几种显微镜中的任何一种。 根据所用的显微镜​​技术,其中一些显微镜还可以测量材料的物理特性,包括电流,电导率和磁场。 1980年代初期发明了第一台扫描探针显微镜,称为扫描隧道显微镜 (STM)。 几年后,STM的发明者获得了诺贝尔物理学奖。 从那时起,已经发明了基于相同基本原理的其他几种技术。

所有扫描探针显微镜技术都涉及对材料表面的细小尖锐扫描,因为数据是从扫描中以数字方式获取的。 扫描探针的尖端必须小于被扫描表面上的特征,以产生准确的图像。 这些提示必须每隔几天更换一次。 它们通常安装在悬臂上,在许多SPM技术中,测量悬臂的运动以确定表面的高度。

在扫描隧道显微镜中,在扫描尖端与被成像表面之间施加电流。 通过调整尖端的高度,可以使电流保持恒定,从而生成表面的地形图。 可替代地,在测量变化的电流以确定表面的高度的同时,尖端的高度可以保持恒定。 由于此方法使用电流,因此仅适用于导体或半导体的材料。

几种类型的扫描探针显微镜都属于原子力显微镜 (AFM)类别。 与扫描隧道显微镜不同,AFM可以用于所有类型的材料,而不管其导电性如何。 所有类型的AFM都使用某种间接测量的方式来测量扫描尖端与表面之间的力,以产生图像。 这通常是通过测量悬臂挠度来实现的。 原子力显微镜的各种类型包括接触式AFM,非接触式AFM和间歇性接触式AFM。 有几种考虑因素决定哪种原子力显微镜最适合特定应用,包括材料的灵敏度和要扫描的样品的大小。

原子力显微镜的基本类型有一些变化。 横向力显微镜(LFM)可测量扫描头上的扭曲力,这对于绘制表面摩擦力很有用。 扫描电容显微镜用于测量样品的电容,同时产生AFM形貌图像。 导电原子力显微镜(C-AFM)像STM一样使用导电尖端,因此产生了AFM形貌图和电流图。 力调制显微镜(FMM)用于测量材料的弹性。

还存在其他扫描探针显微镜技术来测量三维表面以外的属性。 静电力显微镜(EFM)用于测量表面上的电荷。 这些有时用于测试微处理器芯片。 扫描热显微镜(SThM)收集有关热导率的数据,并绘制表面形貌。 磁力显微镜(MFM)可以测量表面上的磁场以及地形。

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