STM和AFM的原理及出现异常情况的处理方法

仪器资料 · 发表于 2017-7-12 20:29:01

STM和AFM的原理及出现异常情况的处理方法
1982年世界上第一台STM 问世，它不仅能显示物质表面的原子分布，并且可借助它对原子进行移
动操作 ¨。1986年，在STM 的基础上，AFM 被Binnig G等研制成功I2]。与STM 不同，AFM 不受样品
导电性的限制，因而其应用领域更为广阔。
使用STM 或AFM 可观察到样品表面形貌，但样品图像的质量可能受到一些异常情况的干扰。这里
所指的异常情况并不是仪器本身带来的，而是由于外界环境、针尖、样品等因素造成。只有了解这些情况
产生的原因，并施加有效的处理方法才能获得好的图像。下面以上海卓伦微纳米设备有限公司生产的
AFM—III型原子力显微镜(兼容STM)为例对实验中的异常情况加以总结，并提出相应的处理方法，以
便获得最清晰最接近真实的样品图像。

1 STM 的工作原理
扫描隧道显微镜的基本原理是在隧道效应的基础上，将原子线度的极细探针和被研究物质的表面
作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1 nm)时，在外加偏压的作用下，针尖上的电
子会穿过两个电极之间的势垒到达样品，从而形成隧道电流。在其他条件相同的情况下，隧道电流与针
尖一样品间距呈指数衰减关系，当距离减小0．1 am，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电
流对距离的敏感变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，这也就是STM 中极高纵向
分辨率的物理本质。
2 AFM 的工作原理
AFM 主要是利用针尖与样品之间的相互作用力来扫描成像的。在AFM 中用一个安装在对微弱力
极敏感的微悬臂上的极细探针来代替STM 中的简单金属探针。当针尖在样品上扫描时，同距离有密切
关系的针尖一样品相互作用就会引起微悬臂的形变。也就是说，微悬臂的形变量反映了针尖与样品间的
相互作用。通过检测到的微悬臂产生的弹性形变量△Z，根据公式：

F ：= K ·A z
(其中，K 为微悬臂的弹性系数)，可以计算出针尖与样品间的相互作用力F。于是，可以根据针尖一样
品间的相互作用与间距的关系，得到样品表面的高度。

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