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掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？

小知識

圖片：PublicDomainPictures / CC0

掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？


掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？


知乎用戶 ， 不是教員掃描地道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）都屬于掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopy, SPM)大師庭 ， 并且是此中降生的較早（STM 降生于1982年 ， 是第一種掃描探針顯微鏡 ， AFM降生于1986/87年 ， 二者都是Binning et al.初創）且很有代表性的兩種 。
所用圖片除了最后一張之外都是我本身做的ppt ， 最后一張圖片來自于收集搜刮 。
【掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？】下圖是一個大要的SPM成長過程
掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？


下圖從三個方面簡單描述一下掃描地道顯微鏡和原子力顯微鏡的一些特點：
掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？


掃描（scanning）：指顯微鏡用于當作像的探針在樣品概況移動 。 一般有以下兩種模式：
constant interaction mode: 連結針尖和樣品概況彼此感化（地道電流之于STM ， 原子間感化力之于AFM）的值恒定 ， 這個值一般與針尖和概況間距離相關 。 當針尖在xy軸偏向移動時 ， 因為樣品概況升沉 ， 為了連結電流或原子間感化力的值不變 ， 探針（或樣品概況）會在z軸偏向作出調整 ， 其活動軌跡可以形當作反映概況拓撲性質的圖像 。
constant height mode：連結針尖和樣品概況距離不變（z值不變） ， 跟著針尖在xy軸偏向活動 ， 針尖和樣品概況的彼此感化的值會發生轉變 ， 其數值顛末轉化可以形當作圖像反映概況布局 。
探針（probe）：一般常用的探針有兩種
cantilever based probe：用于AFM 。 因為原子間感化力無法直接測量 ， AFM利用的探針是一個附著在有彈性的懸臂上的小針尖 ， 懸臂另一面可以反射激光 。 跟著針尖移動 ， 針尖和樣品概況的感化力使得懸臂發生細微的彎曲轉變 ， 導致激光反射路徑的轉變 ， 從而獲得樣品概況描摹 。
conducting probe：用于STM 。 因為反饋旌旗燈號是地道電流 ， 要求針尖和樣品都必需導電 ， 所以STM常用的探針都是金屬（Au ， W ， Pt ， Pt-Ir合金之類的） 。 而電流可以被直接和切確的檢測 ， 所以一般一根金屬絲就能知足需求了 。
顯微當作像（microscopy）：既然叫顯微鏡 ， 最主要的當然是當作像了 ， 圖像2D 3D都可以有 ， 還挺炫酷的 。 當然除了當作像 ， SPM也可以用來檢測各類譜 。 好比用AFM來檢測力曲線 ， STM測量地道電流隨距離的轉變之類的 。




各類SPM手藝的最本家兒要區別在于feedback signal（反饋旌旗燈號？）的分歧 。
STM的feedback signal是tunneling current(地道電流） 。 這是一種基于量子地道效應的現象—探針針尖的波函數和基底原子之間的波函數在距離極近時彼此疊加 ， 可以讓電子沖破能壘 ， 發生電子轉移 ， 從而在針尖和基底之間形當作地道電流 。 電流大小與針尖和基底間的距離相關（指數關系） 。 經由過程連結針尖絕對高度不變監測掃過概況時的電流大小的轉變（constant height mode）或者連結電流值不變檢測針尖掃過概況時的軌跡（constant current mode） ， 即可當作像 。 因為測量的是電流 ， 所以STM的樣品 ， 必需是導電的 。 道理大要如下圖所示：


掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的基本原理是什么？




AFM的feedback signal是針尖和和樣品概況原子之間的彼此感化力（所以才叫“原子力”顯微鏡呀） 。 彼此感化力有良多種 ， 靜電感化 ， 范德瓦爾斯力之類的n多種 ， 所以AFM可以不雅測不導電的樣品 。 然而這個彼此感化力無法像電旌旗燈號一樣直接檢測 ， 所以AFM利用激光照在針尖上 ， 當針尖因為原子間感化力（引力和斥力都有）而震動時 ， 激光的反射就會響應的跟著轉變 。 按照針尖和樣品概況是否接觸 ， AFM可以分為contact mode和tapping mode兩種 ， 今朝還有新的mode在被開辟出來（鄙人的組里就在利用此中一種新mode ， 暫未定名） 。 因為AFM的樣品不消非得有導電性 ， 所以AFM可以用來檢測生物樣品 ， DNA RNA卵白質 ， 甚至是細胞（其實STM也可以檢測生物分子啦） 。 不外今朝因為手藝限制 ， 檢測細胞的分辯率還未能達到分子標準 。

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