扫描探针显微镜

1981年，德国学者Gerd Binnig和瑞士学者Heinrich Rohrer发明了一种新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（scanning tunnelling microscopy，STM）。STM的问世使人类在实空间能够观察到材料表面各个原子的排列以及与表面电子相关的物理和化学性质。该技术是对表面科学和表面研究方法的革命性突破。为此，Binnig和Rohrer荣获了1986的年诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜采用了全新的工作原理，它利用电子隧道现象，将样品本身作为一个电极，将一根尖锐的金属探针作为另一个电极，把探针移近样品，并在两者之间加上电压，当探针和样品表面相距只有数十埃（1 （埃）=0.1nm）时，由于隧道效应，在探针和样品表面之间就会产生隧道电流；哪怕样品表面只有原子大小的微小起伏，也将使隧道电流发生显著变化。这种携带原子结构的信息，输入电子计算机，经过处理即可在计算机上显示出一幅物体的三维图像。

STM有着现代许多表面分析仪器所不能比拟的优点，但由于STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质研究的，所以只适用于导体和半导体样品，不能用来直接观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。为了弥补STM这一不足，1986年，Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）。AFM利用一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化信号。

随后在AFM的基础上，又相继发明了扫描近场光学显微镜（scanningnear-field opti-cal microscopy，SNOM）、摩擦力显微镜（friction force microscope，FFM）、横向力显微镜（lateral force microscope，LFM）、磁力显微镜（magnetic force microscope，MFM）、静电力显微镜（electrostatic force microscope，EFM）、扫描热显微镜（scanning thermal micro-scope，STh M）、扫描离子电导显微镜（scanning ion conductivity microscope，SICM）等一系列显微镜。这类显微镜不再受到光或电子波长的限制，而是利用尖锐探针对样品表面进行扫描来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（scanning probe microscope， SPM）。本章仅介绍SPM家属中的两个主要成员：STM和AFM。