1、【 摘要 】納米測量是納米科學的重要分支和基礎學科。以掃描探針顯微鏡（STM）為代表的非光學納米測量方法能夠實現納米甚至亞納米的測量分辨率，是非常重要且實用的納米級精密測量儀器，本篇文章對其進行詳細介紹。【 關鍵字 】 掃描探針顯微鏡精密測量納米尺度【 引言 】納米科學是在納米（10-9m）和原子（10-10m）的尺度上（1nm 100nm）研究物質的特性、物質相互作用及如何利用這些特性的多學科交叉的前沿科學與技術。隨著科學的發展，它涉及到越來越廣泛的內容，其中納米測量技術是納米科學的一個重要分支。例如： 半導體工業中的高精度模版的制造和定位，高精度傳感器的標定；在科學研究中的量子物理學、化學

2、、 分子生物學等都需要很高的測量精度。因此無論是對國民經濟各部門還是軍事應用領域等，納米測量都有著巨大意義。目前， 能夠進行納米測量的方法主要有：非光系方法和光學方法兩大類。前者包括：SPM法，電容、電感測微法；后者則包括：X光干涉儀法、各種形式的激光干涉儀法和光學光柵等方法。以掃描探針顯微鏡（STM）為代表的非光學納米測量方法能夠實現納米甚至亞納米的測量分辨率，是非常重要且實用的納米級精密測量儀器，本篇文章將對其進行詳細介紹。【 正文 】掃描探針顯微鏡簡介掃描探針顯微鏡是繼光學顯微鏡和電子顯微鏡發展起來后的第三代顯微鏡。80 年代初期，IBM公司蘇黎世實驗室的G.Binning 和 H.Ro

3、hrer 發明了掃描隧道顯微鏡，它的分辨率達到0.01 納米。STM的誕生，使人類第一次在實空間觀測到了原子，并能夠在超高真空超低溫的狀態下操縱原子。在 STM的基礎上，又發明了原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、近場光學顯微鏡等等，這些顯微鏡都統稱掃描探針顯微鏡。因為它們都是靠一根原子線度的極細針尖在被研究物質的表面上方掃描， 檢測采集針尖和樣品間的不同物理量，以此得到樣品表面的形貌圖像和一些有關的電化學特性。如： 掃描隧道顯微鏡檢測的是隧道電流，原子力顯微鏡鏡測試的是原子間相互作用力等等。光學顯微鏡和電子顯微鏡都稱之為遠場顯微鏡，因為相對來說樣品離成像系統有比較遠的距離。成像的圖像好壞基本取決于儀器

4、的質量。而掃描探針顯微鏡的工作原理是基于微觀或介觀范圍的各種物理特性，探針和樣品之間只有2-3埃的距離，會產生相互的作用，是一種相互影響的耦合體系。我們稱它為近場顯微鏡。 它的成像質量不單單取決于顯微鏡本身，很大程度上受樣品本身和針尖狀態的影響。所以，我們在使用這一類的儀器時，要想得到好的圖像，關鍵是要學會分析判斷各種圖像及現象的產生原因，然后通過調整參數，得到相對好的圖像。掃描探針顯微鏡的基本結構減振系統是儀器有效得到原子圖像的必要保證。有效的振動隔離是STM達到原子分辨率所嚴格要求的一個必要條件，STM原子圖像的典型起伏是0.1 埃，所以外來振動的干擾必須小于0.05 埃。有兩類振動是必須

5、隔離的：振動和沖擊。振動一般是重復性和連續性的，而沖擊則是瞬態變化的，在兩者之中，振動隔離是最主要。通常采用懸吊來隔離振動。頭部探測系統由支架、 針尖驅動機構（掃描器）、 針尖和樣品組成，是儀器的工作執行部分。. 掃描系統掃描系統包括掃描器和針尖塊。掃描器使用4 象限壓電陶瓷管，采用樣品掃描方式。針尖塊中密閉著前置放大器，通過引線將放大后的信號送至電子學控制箱。針尖塊的設計使用了專利技術智能針尖連接結構。在進行不同工作模式之間的轉化時，用戶只需將我們提供的安裝不同種類探針的針尖塊插入針尖架中即可。系統會自動識別當前針尖的種類，并將軟件切換到相應的工作模式。. 驅進系統驅進調節機構主要用于粗調和

6、精細調節針尖和樣品之間的距離。利用兩個精密螺桿手動粗調，配合步進馬達（可以手控也可計算機控制調節），先調節針尖和樣品距離至一較小間距（毫米級），然后用計算機控制步進馬達，使間距從毫米級緩慢降至納米級（在有反饋的情形下），進入掃描狀態。退出時反之。. 支架：支架主要用于固定驅進系統以及與減震系統的連接。電子學控制系統是儀器的控制部分，主要實現形貌掃描的各種預設的功能以及維持掃描狀態的反饋控制系統。包括：. 前置放大器：安裝在頭部針尖塊內；. 頭部電路接口：安裝在頭部支座內；. 電子學控制箱：包括前面板、后面板和線路控制部分；. 馬達驅動電路：安裝在頭部支座內，用于手動/計算機自動控制馬達的進退，

7、即針尖脫離或趨進樣品；AD/DA多功能卡：安裝在電子控制機箱內。計算機軟件系統：是人機交互操作的主要界面，完成實時的控制、數據的獲取和處理，以及數據的分析處理和輸出。掃描探針顯微鏡的工作模式之一- 掃描隧道顯微鏡的基本原理STM 的工作原理是基于量子力學中的隧道效應。對于經典物理學來說，當一E 低于前方勢壘的高度0V時，他不可能越過此勢壘，即透射系數也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這個現象稱為隧道隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電（ 通常小于1nm） 時，在外加電場的作用下，由于隧道電流（

8、納安級 ） 隨距離而“”通過計算機處理，便能在顯示屏上看到材料表面三維的原子結構STM具有空前的高分辨率（ 橫向可達0.1nm，縱向可達0.01nm）, 它能直接觀恒電流模式。如圖（a） 所示， x、 y 方向進行掃描，在z 方向加上電子反饋系統，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z 方向上驅動的電壓值推算表面起伏高度的數值。恒高度模式。如圖

9、（b） 所示，在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。掃描探針顯微鏡的特點（ l）具有原子級的超高分辨率。理論橫向分辨率可達0.1nm，而縱向分辨率更高達0.01nm。，從而可獲得物質表面的原子晶格圖像。（ 2）可實時獲得樣品表面的實空間三維圖像。既適用于具有周期性結構的表面，又適用于非周期性表面結構的檢測。（ 3）可以觀察到單個原子層的局部表面性質。直接檢測表面缺陷、表面重構、表面吸附形態和位置。（ 4）可在真空、大氣、常溫、常壓等條件下工作，甚至可將樣品浸在液體中，不需要特殊的樣品制備技術。掃描探針顯微鏡的優勢1、掃描探針顯微鏡具有極高的分辨率。它可以輕易的“看到 ”原子，這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。2、掃描探針顯微鏡得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖像。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結構。也就是說，掃描探針顯微鏡是真正看到了原子。3、掃描探針顯微鏡的使用環境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環境要求比較苛刻，樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而掃描探針顯微鏡既可以在真空中工作，又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。因