扫描探针显微技术及其应用

湖南师范大学附属中学 贺爽博

扫描探针显微技术及其应用

湖南师范大学附属中学 贺爽博

当今纳米科技时代，显微技术越来越成为一项不可或缺的研究手段。本文全面介绍了目前具有广泛应用的扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等专用功能型的扫描探针显微技术。本文介绍了这些扫描探针显微技术的工作原理，并比较了它们在应用上的优缺点。

扫描探针显微技术；扫描隧道显微镜；原子力显微镜；发展综述

1.引言

在新物理的探索、电子器件微型化等因素的驱动下，物理、化学、材料等学科的研究早已进入到了微观（纳米）领域。在纳米科技时代，人们已经发现了更多有趣的物理现象、更多性能优越的新型材料，也开发了更多新型器件的应用。而这一切都离不开微观尺度表征手段的发展。显微技术是纳米科技领域不可或缺的一种表征手段，它可以被用于观察纳米材料的表面形貌、内部结构，也可以被用来测量材料在纳米尺度的物理特性。传统的光学显微镜由于阿贝极限的存在，很难用于观察纳米材料。从上世纪30年代逐渐发展起来的电子显微镜，虽然具有很高的分辨率和比较完善的测试功能，但是它具有仪器庞大、昂贵，运行、维护成本高，高真空要求，样品准备工艺复杂，测试效率低等缺点。相比之下，于上世纪80年代迅速发展起来的扫描探针显微技术，具有结构简单、易于操作、测试效率高等优势，因此，自其发明以来，就得到了广泛的关注和应用。

目前，人们已发明了诸多类型的扫描探针显微镜，包括主要用于表面材料的表面形貌和原子/分子结构的扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及针对具体物理性质测量功能而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜等。[1-3]本文综述了几种常见的扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及基于原子力显微镜而实现的导电原子力显微镜、压电响应力显微镜和磁力显微镜。本文以导电原子力显微镜为例，介绍了它在阻变效应领域的应用，以及相应的不同于宏观效应的表现。

2.扫描探针显微技术的分类

2.1 扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜，是基于量子理论中的隧道效应而发明的一种显微镜。电子隧道效应指的是，当两块导体相距很近时，在两者之间施加一个小的偏电压，电子会穿过中间的势垒，产生定向的隧道电流。电子的隧道效应是其波动性的一种体现。

在扫描隧道显微镜中，由金属针尖充当一端电极，所测样品充当另一端电极，针尖与样品间存在真空势垒。由于针尖足够尖，测量时的势垒厚度即为针尖最下端的一个原子与样品表面原子之间的距离。隧道电流对势垒厚度呈指数式依赖关系[1]：

I是隧道电流，d是针尖-样品间距离，k是由针尖和样品材料决定的常数。一般情况下，针尖-样品间距离每增减0.1nm（1Å），隧道电流就会变化一个数量级。因此，隧道电流是一个可以精准反映针尖与样品之间距离的物理量。

扫描隧道显微镜分为两种工作模式。一种是恒流模式，即，通过控制隧道电流恒定，也就是保持针尖与样品间距离恒定。随着针尖在样品水平方向上移动，针尖就会随着样品表面的起伏而上下移动。针尖的移动由压电材料精确控制。然后通过电子反馈线路，利用计算机采集数据，便完成了对材料表面形貌的表征。另一种是恒高模式，即，在测量过程中保持针尖高度恒定。随着针尖在水平方向的移动，隧道电流相应地变化。利用电子反馈线路将电流数据收集起来，便能够成功表征样品表面形貌。隧道电流对针尖-样品间距离十分灵敏，因此，电流的变化能够精确反映针尖与样品表面的距离。

在各种扫描探针显微镜中，扫描隧道显微镜拥有最高的分辨率，通常可以实现单个原子的分辨。此外，人们还可以利用扫描隧道显微镜操纵样品表面的单个原子。但是，由于扫描隧道显微镜的工作原理是电子隧道效应，所以它只能用来表征和研究导体材料，而不能用来研究半导体和绝缘材料。

2.2 原子力显微镜

原子力显微镜利用原子之间的作用力作为被探测的物理量，来表征样品的表面形貌。原子力的大小与针尖顶端的原子到材料表面的距离有关。如果能够测量出针尖受到的来自于材料表面原子的作用力，就能够计算出针尖到材料表面的距离，从而可以表征材料的表面形貌。

原子力显微镜中用于测量的探针由微悬臂与针尖构成。当针尖足够尖时，针尖顶端原子和样品表面原子的相互作用就会十分灵敏。原子力的大小主要由微悬臂的形变程度来反映。通过激光照射微悬臂，当微悬臂因原子力的改变而发生形变时，激光就会发生明显偏转。这一偏转利用激光接收装置接收并记录下来，转化为数字信息，最后利用计算机进行处理，就能得到样品表面形貌的图像。

两个原子之间的势能与距离之间的关系式为[4]：

其中e 是势阱深度，r是原子的半径，d是原子之间的距离。两个原子的相互作用可以分为两个区域，较小距离的斥力区域和较大距离的引力区域。依据针尖-样品原子作用力性质的不同，也就是针尖-样品间距的不同，原子力显微镜主要有三种工作模式：接触模式，非接触模式以及轻敲模式。

接触模式中，针尖与样品表面发生接触，针尖与材料表面原子的相互作用力是斥力。这种模式的优点是可以忽略材料表面由于水蒸气所产生的液滴的影响，缺点是由于针尖原子与材料表面原子互相接触，可能会对柔软材料的表面造成损伤。

非接触模式利用的是针尖原子与材料表面原子之间的引力，此时针尖与样品相距较近，却又不互相接触。这种模式的优点是不会破坏样品表面本身的形貌，但缺点是容易受到材料表面液滴的影响导致测量结果失真。

轻敲模式是运用最为广泛的工作模式。轻敲模式是使针尖在一定范围内不断摆动，所受原子间作用力在斥力与引力间不断转换。由针尖的摆动频率来测得针尖顶端原子与材料表面原子间的间距。由于是让针尖不断轻敲样品表面，所以既不会破坏样品表面，又不会受样品表面液滴影响，测量结果准确。其缺点就是表征速度较慢，表征材料形貌所耗时间较长。

2.3 专用功能的扫描探针显微镜

原子力显微镜一般只能用来表征样品的表面形貌，或者在实现原子分辨的条件下，用来观察分子结构。想要测量材料的某些物理性质，就需要一些具有专用功能的原子力显微技术。这里介绍其中应用得比较广泛的三种：导电原子力显微镜，压电响应力显微镜和磁力显微镜。其中以导电原子力显微镜为例，介绍了它在阻变效应研究中的应用。

2．3．1 导电原子力显微镜

导电原子力显微镜主要用于测量材料在纳米尺度的导电性质。在原子力显微镜的基础上，利用一个导电针尖（使用导电材料制备针尖，或在针尖表面镀一层金属），外加一个测量电流的模块，在探针对样品进行扫描得到样品表面形貌的同时，结合测量的电流，还可以得到样品的导电性分布图。导电原子力显微镜除了可以用于测量各种微观电学性能，如薄膜特性和电容，电场的边缘效应，还可以用于研究导电纳米线路的电场和电迁移现象[5]。

目前，导电原子力显微镜一个主要的应用在于研究阻变效应。阻变效应指的是，对一个金属/绝缘体/金属的三明治结构施加电压或电流，该结构的电阻会发生变化[6]。阻变效应可用于新型非挥发性存储器和人工神经网络等，具有广泛的应用前景。利用三明治结构，只能测量阻变效应一些宏观的性质。想要在纳米尺度表征阻变效应，从而更深入地研究效应机制，导电原子力显微镜提供了一个很好的途径。利用导电原子力显微镜观察到，产生阻变效应的导电细丝的尺寸最小可达到1纳米[7]。此外，如果想要研究一些纳米结构，比如纳米线、纳米点的阻变效应，宏观结构很难制备，导电原子力显微镜则能很轻易地应用于这些纳米结构的测量。因此，导电原子力显微镜为研究阻变效应的内在机制提供了一个很好的平台，同时它也是研究纳米结构阻变效应的强有力的手段。

2．3．2 压电响应力显微镜

压电响应力显微镜是测量材料在纳米尺度的压电效应的有力工具[8]。正压电效应指的是，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部产生极化，在两个相对表面上出现正负相反的电荷；逆压电效应则是在电介极化方向上施加电场，电介质发生形变。由于机械力和电荷在一定压力范围内呈线性可逆关系，所以压电效应对于控制物理形变，测量电压等有很大的作用。

压电响应力显微镜通过给材料施加交变电流，再由探针测出样品的形变，由此可以绘制出材料纳米区域的电滞回线，从而进行材料压电性质的研究。

2．3．3 磁力显微镜

磁力显微镜是研究磁性材料微观性质的有力工具[9]。它的工作原理是，利用一个磁性探针对磁性样品进行扫描，得到样品的磁畴分布图像。具体工作时，磁力显微镜会对样品进行两次扫描：第一次扫描的原理与普通原子力显微镜相同，得到样品表面形貌图像；第二次扫描让磁性探针抬起一定高度并通过第一次扫描的结果与样品保持恒高，以此来抵消原子间作用力等短程力的影响，以及样品形貌的影响，通过第二次扫描得到磁力长程力的分布图像，从而得到样品的磁畴结构。

3.总结与展望

本文全面介绍了几种扫描探针显微技术，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及几种用于测量材料其它物理性质的专用功能的扫描探针显微技术。本文在介绍这些扫描探针显微技术的工作原理的同时，还比较了它们在应用上的优缺点，以便为以后更好地利用扫描探针显微技术提供指导。以导电原子力显微镜为例，本文具体介绍了它在阻变效应研究中的应用，凸显了扫描探针显微技术在当今材料科学研究领域的重要性。

[1]白春礼．科学新闻,2000,26：8．

[2]白春礼,林璋．物理,1999,28：27．

[3]褚宏祥．曲阜师范大学学报,2010,36：80．

[4]樊康奇,贾建援,朱应敏．西安电子科技大学学报(自然科学版),2007,34：947．

[5]郭云,杨德全,孙岩,et al．实验技术,1999,28：691．

[6]王源,贾嵩,甘学温．北京大学学报(自然科学版),2011,47：565．

[7]Szot K,Speier W,Bihlmayer G,et al．Nature Materials,2006,5：312．

[8]刘子铃,谢中,郭海燕,et al．电子显微学报,2009,28：204．

[9]王邵雷．实验室研究与探索,2015,34：41．