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  啟程幸福 2018-04-08 13:41:41

  掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）都屬于掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopy, SPM)大家庭，而且是其中誕生的較早（STM 誕生于1982年，是diyi種掃描探針顯微鏡，AFM誕生于1986/87年，二者都是Binning et al.shouchuang）且很有代表性的兩種。 掃描（scanning）：指顯微鏡用于成像的探針在樣品表面移動(dòng)。一般有以下兩種模式： constant interaction mode: 保持針尖和樣品表面相互作用（隧道電流之于STM，原子間作用力之于AFM）的值恒定，這個(gè)值一般與針尖和表面間距離相關(guān)。當(dāng)針尖在xy軸方向移動(dòng)時(shí)，由于樣品表面起伏，為了保持電流或原子間作用力的值不變，探針（或樣品表面）會(huì)在z軸方向作出調(diào)整，其運(yùn)動(dòng)軌跡可以形成反應(yīng)表面拓?fù)湫再|(zhì)的圖像。 constant height mode：保持針尖和樣品表面距離不變（z值不變），隨著針尖在xy軸方向運(yùn)動(dòng)，針尖和樣品表面的相互作用的值會(huì)發(fā)生變化，其數(shù)值經(jīng)過轉(zhuǎn)化可以形成圖像反應(yīng)表面結(jié)構(gòu)。 探針（probe）：一般常用的探針有兩種 cantilever based probe：用于AFM。由于原子間作用力無法直接測(cè)量，AFM使用的探針是一個(gè)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。隨著針尖移動(dòng)，針尖和樣品表面的作用力使得懸臂發(fā)生細(xì)微的彎曲變化，導(dǎo)致激光反射路徑的變化，從而獲得樣品表面形貌。 conducting probe：用于STM。因?yàn)榉答佇盘?hào)是隧道電流，要求針尖和樣品都必須導(dǎo)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精確的檢測(cè)，所以一般一根金屬絲就能滿足需求了。 顯微成像（microscopy）：既然叫顯微鏡，Z重要的當(dāng)然是成像了，圖像2D 3D都可以有，還挺炫酷的。當(dāng)然除了成像，SPM也可以用來檢測(cè)各種譜。比如用AFM來檢測(cè)力曲線，STM測(cè)量隧道電流隨距離的變化之類的。 各種SPM技術(shù)的Z主要區(qū)別在于feedback signal（反饋信號(hào)？）的不同。 STM的feedback signal是tunneling current(隧道電流）。這是一種基于量子隧道效應(yīng)的現(xiàn)象—探針針尖的波函數(shù)和基底原子之間的波函數(shù)在距離極近時(shí)相互疊加，可以讓電子突破能壘，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而在針尖和基底之間形成隧道電流。電流大小與針尖和基底間的距離相關(guān)（指數(shù)關(guān)系）。通過保持針尖高度不變監(jiān)測(cè)掃過表面時(shí)的電流大小的變化（constant height mode）或者保持電流值不變檢測(cè)針尖掃過表面時(shí)的軌跡（constant current mode），即可成像。由于測(cè)量的是電流，所以STM的樣品，必須是導(dǎo)電的。 AFM的feedback signal是針尖和和樣品表面原子之間的相互作用力（所以才叫“原子力”顯微鏡呀）。相互作用力有很多種，靜電作用，范德瓦爾斯力之類的n多種，所以AFM可以觀測(cè)不導(dǎo)電的樣品。然而這個(gè)相互作用力無法像電信號(hào)一樣直接檢測(cè)，所以AFM使用激光照在針尖上，當(dāng)針尖因?yàn)樵娱g作用力（引力和斥力都有）而震動(dòng)時(shí)，激光的反射就會(huì)相應(yīng)的跟著變化。根據(jù)針尖和樣品表面是否接觸，AFM可以分為contact mode和tapping mode兩種，目前還有新的mode在被開發(fā)出來（在下的組里就在使用其中一種新mode，暫未命名）。因?yàn)锳FM的樣品不用非得有導(dǎo)電性，所以AFM可以用來檢測(cè)生物樣品，DNA RNA蛋白質(zhì)，甚至是細(xì)胞（其實(shí)STM也可以檢測(cè)生物分子啦）。不過目前由于技術(shù)限制，檢測(cè)細(xì)胞的分辨率還未能達(dá)到分子尺度。

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