掃描探針顯微技術(shù)及其應(yīng)用

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 賀爽博

掃描探針顯微技術(shù)及其應(yīng)用

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 賀爽博

當(dāng)今納米科技時代，顯微技術(shù)越來越成為一項不可或缺的研究手段。本文全面介紹了目前具有廣泛應(yīng)用的掃描探針顯微技術(shù)，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡等專用功能型的掃描探針顯微技術(shù)。本文介紹了這些掃描探針顯微技術(shù)的工作原理，并比較了它們在應(yīng)用上的優(yōu)缺點。

掃描探針顯微技術(shù)；掃描隧道顯微鏡；原子力顯微鏡；發(fā)展綜述

1.引言

在新物理的探索、電子器件微型化等因素的驅(qū)動下，物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的研究早已進(jìn)入到了微觀（納米）領(lǐng)域。在納米科技時代，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多有趣的物理現(xiàn)象、更多性能優(yōu)越的新型材料，也開發(fā)了更多新型器件的應(yīng)用。而這一切都離不開微觀尺度表征手段的發(fā)展。顯微技術(shù)是納米科技領(lǐng)域不可或缺的一種表征手段，它可以被用于觀察納米材料的表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以被用來測量材料在納米尺度的物理特性。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡由于阿貝極限的存在，很難用于觀察納米材料。從上世紀(jì)30年代逐漸發(fā)展起來的電子顯微鏡，雖然具有很高的分辨率和比較完善的測試功能，但是它具有儀器龐大、昂貴，運行、維護(hù)成本高，高真空要求，樣品準(zhǔn)備工藝復(fù)雜，測試效率低等缺點。相比之下，于上世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的掃描探針顯微技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、測試效率高等優(yōu)勢，因此，自其發(fā)明以來，就得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

目前，人們已發(fā)明了諸多類型的掃描探針顯微鏡，包括主要用于表面材料的表面形貌和原子/分子結(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及針對具體物理性質(zhì)測量功能而實現(xiàn)的導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡等。[1-3]本文綜述了幾種常見的掃描探針顯微技術(shù)，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及基于原子力顯微鏡而實現(xiàn)的導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡。本文以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及相應(yīng)的不同于宏觀效應(yīng)的表現(xiàn)。

2.掃描探針顯微技術(shù)的分類

2.1 掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡，是基于量子理論中的隧道效應(yīng)而發(fā)明的一種顯微鏡。電子隧道效應(yīng)指的是，當(dāng)兩塊導(dǎo)體相距很近時，在兩者之間施加一個小的偏電壓，電子會穿過中間的勢壘，產(chǎn)生定向的隧道電流。電子的隧道效應(yīng)是其波動性的一種體現(xiàn)。

在掃描隧道顯微鏡中，由金屬針尖充當(dāng)一端電極，所測樣品充當(dāng)另一端電極，針尖與樣品間存在真空勢壘。由于針尖足夠尖，測量時的勢壘厚度即為針尖最下端的一個原子與樣品表面原子之間的距離。隧道電流對勢壘厚度呈指數(shù)式依賴關(guān)系[1]：

I是隧道電流，d是針尖-樣品間距離，k是由針尖和樣品材料決定的常數(shù)。一般情況下，針尖-樣品間距離每增減0.1nm（1?），隧道電流就會變化一個數(shù)量級。因此，隧道電流是一個可以精準(zhǔn)反映針尖與樣品之間距離的物理量。

掃描隧道顯微鏡分為兩種工作模式。一種是恒流模式，即，通過控制隧道電流恒定，也就是保持針尖與樣品間距離恒定。隨著針尖在樣品水平方向上移動，針尖就會隨著樣品表面的起伏而上下移動。針尖的移動由壓電材料精確控制。然后通過電子反饋線路，利用計算機采集數(shù)據(jù)，便完成了對材料表面形貌的表征。另一種是恒高模式，即，在測量過程中保持針尖高度恒定。隨著針尖在水平方向的移動，隧道電流相應(yīng)地變化。利用電子反饋線路將電流數(shù)據(jù)收集起來，便能夠成功表征樣品表面形貌。隧道電流對針尖-樣品間距離十分靈敏，因此，電流的變化能夠精確反映針尖與樣品表面的距離。

在各種掃描探針顯微鏡中，掃描隧道顯微鏡擁有最高的分辨率，通?？梢詫崿F(xiàn)單個原子的分辨。此外，人們還可以利用掃描隧道顯微鏡操縱樣品表面的單個原子。但是，由于掃描隧道顯微鏡的工作原理是電子隧道效應(yīng)，所以它只能用來表征和研究導(dǎo)體材料，而不能用來研究半導(dǎo)體和絕緣材料。

2.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡利用原子之間的作用力作為被探測的物理量，來表征樣品的表面形貌。原子力的大小與針尖頂端的原子到材料表面的距離有關(guān)。如果能夠測量出針尖受到的來自于材料表面原子的作用力，就能夠計算出針尖到材料表面的距離，從而可以表征材料的表面形貌。

原子力顯微鏡中用于測量的探針由微懸臂與針尖構(gòu)成。當(dāng)針尖足夠尖時，針尖頂端原子和樣品表面原子的相互作用就會十分靈敏。原子力的大小主要由微懸臂的形變程度來反映。通過激光照射微懸臂，當(dāng)微懸臂因原子力的改變而發(fā)生形變時，激光就會發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。這一偏轉(zhuǎn)利用激光接收裝置接收并記錄下來，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，最后利用計算機進(jìn)行處理，就能得到樣品表面形貌的圖像。

兩個原子之間的勢能與距離之間的關(guān)系式為[4]：

其中e 是勢阱深度，r是原子的半徑，d是原子之間的距離。兩個原子的相互作用可以分為兩個區(qū)域，較小距離的斥力區(qū)域和較大距離的引力區(qū)域。依據(jù)針尖-樣品原子作用力性質(zhì)的不同，也就是針尖-樣品間距的不同，原子力顯微鏡主要有三種工作模式：接觸模式，非接觸模式以及輕敲模式。

接觸模式中，針尖與樣品表面發(fā)生接觸，針尖與材料表面原子的相互作用力是斥力。這種模式的優(yōu)點是可以忽略材料表面由于水蒸氣所產(chǎn)生的液滴的影響，缺點是由于針尖原子與材料表面原子互相接觸，可能會對柔軟材料的表面造成損傷。

非接觸模式利用的是針尖原子與材料表面原子之間的引力，此時針尖與樣品相距較近，卻又不互相接觸。這種模式的優(yōu)點是不會破壞樣品表面本身的形貌，但缺點是容易受到材料表面液滴的影響導(dǎo)致測量結(jié)果失真。

輕敲模式是運用最為廣泛的工作模式。輕敲模式是使針尖在一定范圍內(nèi)不斷擺動，所受原子間作用力在斥力與引力間不斷轉(zhuǎn)換。由針尖的擺動頻率來測得針尖頂端原子與材料表面原子間的間距。由于是讓針尖不斷輕敲樣品表面，所以既不會破壞樣品表面，又不會受樣品表面液滴影響，測量結(jié)果準(zhǔn)確。其缺點就是表征速度較慢，表征材料形貌所耗時間較長。

2.3 專用功能的掃描探針顯微鏡

原子力顯微鏡一般只能用來表征樣品的表面形貌，或者在實現(xiàn)原子分辨的條件下，用來觀察分子結(jié)構(gòu)。想要測量材料的某些物理性質(zhì)，就需要一些具有專用功能的原子力顯微技術(shù)。這里介紹其中應(yīng)用得比較廣泛的三種：導(dǎo)電原子力顯微鏡，壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡。其中以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應(yīng)研究中的應(yīng)用。

2．3．1 導(dǎo)電原子力顯微鏡

導(dǎo)電原子力顯微鏡主要用于測量材料在納米尺度的導(dǎo)電性質(zhì)。在原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上，利用一個導(dǎo)電針尖（使用導(dǎo)電材料制備針尖，或在針尖表面鍍一層金屬），外加一個測量電流的模塊，在探針對樣品進(jìn)行掃描得到樣品表面形貌的同時，結(jié)合測量的電流，還可以得到樣品的導(dǎo)電性分布圖。導(dǎo)電原子力顯微鏡除了可以用于測量各種微觀電學(xué)性能，如薄膜特性和電容，電場的邊緣效應(yīng)，還可以用于研究導(dǎo)電納米線路的電場和電遷移現(xiàn)象[5]。

目前，導(dǎo)電原子力顯微鏡一個主要的應(yīng)用在于研究阻變效應(yīng)。阻變效應(yīng)指的是，對一個金屬/絕緣體/金屬的三明治結(jié)構(gòu)施加電壓或電流，該結(jié)構(gòu)的電阻會發(fā)生變化[6]。阻變效應(yīng)可用于新型非揮發(fā)性存儲器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。利用三明治結(jié)構(gòu)，只能測量阻變效應(yīng)一些宏觀的性質(zhì)。想要在納米尺度表征阻變效應(yīng)，從而更深入地研究效應(yīng)機制，導(dǎo)電原子力顯微鏡提供了一個很好的途徑。利用導(dǎo)電原子力顯微鏡觀察到，產(chǎn)生阻變效應(yīng)的導(dǎo)電細(xì)絲的尺寸最小可達(dá)到1納米[7]。此外，如果想要研究一些納米結(jié)構(gòu)，比如納米線、納米點的阻變效應(yīng)，宏觀結(jié)構(gòu)很難制備，導(dǎo)電原子力顯微鏡則能很輕易地應(yīng)用于這些納米結(jié)構(gòu)的測量。因此，導(dǎo)電原子力顯微鏡為研究阻變效應(yīng)的內(nèi)在機制提供了一個很好的平臺，同時它也是研究納米結(jié)構(gòu)阻變效應(yīng)的強有力的手段。

2．3．2 壓電響應(yīng)力顯微鏡

壓電響應(yīng)力顯微鏡是測量材料在納米尺度的壓電效應(yīng)的有力工具[8]。正壓電效應(yīng)指的是，某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化，在兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；逆壓電效應(yīng)則是在電介極化方向上施加電場，電介質(zhì)發(fā)生形變。由于機械力和電荷在一定壓力范圍內(nèi)呈線性可逆關(guān)系，所以壓電效應(yīng)對于控制物理形變，測量電壓等有很大的作用。

壓電響應(yīng)力顯微鏡通過給材料施加交變電流，再由探針測出樣品的形變，由此可以繪制出材料納米區(qū)域的電滯回線，從而進(jìn)行材料壓電性質(zhì)的研究。

2．3．3 磁力顯微鏡

磁力顯微鏡是研究磁性材料微觀性質(zhì)的有力工具[9]。它的工作原理是，利用一個磁性探針對磁性樣品進(jìn)行掃描，得到樣品的磁疇分布圖像。具體工作時，磁力顯微鏡會對樣品進(jìn)行兩次掃描：第一次掃描的原理與普通原子力顯微鏡相同，得到樣品表面形貌圖像；第二次掃描讓磁性探針抬起一定高度并通過第一次掃描的結(jié)果與樣品保持恒高，以此來抵消原子間作用力等短程力的影響，以及樣品形貌的影響，通過第二次掃描得到磁力長程力的分布圖像，從而得到樣品的磁疇結(jié)構(gòu)。

3.總結(jié)與展望

本文全面介紹了幾種掃描探針顯微技術(shù)，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及幾種用于測量材料其它物理性質(zhì)的專用功能的掃描探針顯微技術(shù)。本文在介紹這些掃描探針顯微技術(shù)的工作原理的同時，還比較了它們在應(yīng)用上的優(yōu)缺點，以便為以后更好地利用掃描探針顯微技術(shù)提供指導(dǎo)。以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，本文具體介紹了它在阻變效應(yīng)研究中的應(yīng)用，凸顯了掃描探針顯微技術(shù)在當(dāng)今材料科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性。

[1]白春禮．科學(xué)新聞,2000,26：8．

[2]白春禮,林璋．物理,1999,28：27．

[3]褚宏祥．曲阜師范大學(xué)學(xué)報,2010,36：80．

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[6]王源,賈嵩,甘學(xué)溫．北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,47：565．

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[8]劉子鈴,謝中,郭海燕,et al．電子顯微學(xué)報,2009,28：204．

[9]王邵雷．實驗室研究與探索,2015,34：41．