扫描探针显微镜(scanning probe microscope, SPM)技术

http://www.microimage.com.cn(2011-08-22 15:25:05)

扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)和原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)

(scanning probe microscope, SPM)是二十世纪八十年代发展起来的一类新型的显微镜,它们都是基于近场扫描原理,利用带有超细针尖的探针在样品表面扫描,获得样品的微观信息如表面形貌、电特性、磁特性和柔韧性等,具有原子尺度的高分辨本领,其侧分辨率为0.1~0.2nm,纵分辨率可达0.01nm。有很多种,主要包括扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)和(atomic force microscope, AFM)等。

(一)扫描隧道显微镜

家族中的第一个成员,是由 G Binnig 和H Rohrer在1981年发明的,他们因此而获得诺贝尔物理学奖。STM的主要原理是利用量子力学中的隧道贯穿效应,其核心部件是一个能在样品表面进行扫描、与样品之间保持一定偏压、其直径为原子尺度的探针。在通常的低电压下,分离的针尖与样品之间(相当于两个电极)具有很大的阻抗,阻止电流通过,称为势叠。当针尖与样品非常靠近时,其间的势叠变得很薄,电子云相互重迭,在针尖与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。通过记录隧道电流的变化就可以获得样品表面的微观信息。STM要求样品表面与针尖具有导电性。

STM有两种成像模式:恒流模式和恒高模式。在恒流模式中,STM通过反馈系统不断调节针尖与样品表面每个检测点上的距离,使隧道电流保持一个不变的恒值,测定扫描头上针尖与样品表面的高度变化就可获得样品表面形貌等微观信息。在恒高模式中,针尖始终保持在样品上方一个恒定的高度上,隧道电流随着样品表面形貌等微观特性的改变而变化,通过检测每个测量点上的电流变化来获得样品表面微观信息。在恒高模式中,扫描头不需要上下移动,从而加快了扫描速度。

(二)原子力显微镜

是1986年设计完成的,它主要通过检测针尖与样品之间的原子间作用力来获得样品表面的微观信息,因此不要求样品具有导电性。AFM的工作原理是将一个对微弱力非常敏感的微悬臂一端固定,另一端装上探针,针尖与样品表面轻轻接触,针尖尖端原子与样品表面原子间极微弱的排斥力使微悬臂向上弯曲。通过检测微悬臂背面反射出的激光光点在光学检测器上的位置变化,可以转换成力的变化,因为反射光点的位置变化或微悬臂弯曲变化与力的变化成正比。微悬臂的弯曲是多种力的共同作用结果,其中最普遍的是范得瓦尔力,针尖与样品表面微小的距离变化就能产生不同大小的范得瓦尔力。通过控制针尖在扫描中这种力的恒定,测量针尖纵向的位移量,就可获得样品表面的微观信息。

AFM也有两种工作模式:恒力模式和恒高模式。在恒力模式中,通过精确控制扫描头随样品表面形貌变化在纵向上下移动,微持微悬臂所受作用力的恒定,从扫描头的纵向移动值得出样品表面的形貌像。在恒高模式中,扫描头高度固定不变,从微悬臂在空间的偏转信息中直接获取样品表面信息。

SPM具有分辨本领高、可连续动态地在各种环境中(真空、气体和液体)检测物体微观信息等特点,很快被应用于生命科学研究。SPM最早应用于研究生物大分子(DNA和蛋白质等)的结构与功能,这方面已积累了丰富的资料。近年来,在其他方面也展开了积极的才探索,如将AFM用于研究生物大分子之间的相互作用、研究生物结构的纳米操作、研究活细胞的结构与功能以及用于医学和药物学研究等。

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