掃描探針顯微鏡不是簡單成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。掃描探針顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的，無論是物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，還是材料、微電子等應(yīng)用學(xué)科都有用武之地。

掃描探針顯微鏡的種類

　　掃描探針顯微鏡主要可分為掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)、力調(diào)制顯微鏡(FMM)、相位檢測(cè)顯微鏡(PDM)、靜電力顯微鏡(EFM)、電容掃描顯微鏡(SCM)、熱掃描顯微鏡(SThM)和近場光隧道掃描顯微鏡(NSOM)等各種系列顯微鏡。

　　這些顯微鏡都是基于探針在被測(cè)樣本表面上進(jìn)行橫向和縱向掃描，并檢測(cè)探針針頭與樣品表面之間相關(guān)檢測(cè)量變化的原理研制的設(shè)備，因此，以上各系列顯微鏡被統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。

掃描隧道顯微鏡

　　掃描隧道顯微鏡(STM)的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)。當(dāng)針尖和試樣面間距離足夠小時(shí)(<0.4nm)，在針尖和試樣面間施加一偏置電壓，便會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電子在針尖和試樣面之間流動(dòng)，形成隧道電流。

　　在相同的偏置電壓作用下，隨著探針同試樣面間的距離減小，隧道電流很快增大(可增大1～2個(gè)數(shù)量級(jí))，同時(shí)針尖原子和試樣面原子的電子云部分重疊，使兩者之間的相互作用大大增強(qiáng)。由于隧道電流隨距離呈指數(shù)形式變化，因此，試樣面上由于電子排列形成的“凸凹不平”表面導(dǎo)致隧道電流劇烈的變化。檢測(cè)變化的隧道電流并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，便能得到試樣面的原子排列情況。

原子力顯微鏡

　　原子力顯微鏡(AFM)基本原理是由于試樣面原子排列產(chǎn)生“凸凹不平”，當(dāng)探針在水平方掃描時(shí)，針尖同試樣面間的距離在垂直方向便會(huì)產(chǎn)生變化。由固體物理學(xué)理論可知，當(dāng)探針針尖同試樣面很近時(shí)，其間會(huì)產(chǎn)生原子間力。針尖同試樣面間垂直方向的變化距離導(dǎo)致針尖同試樣面間原子間力的變化。變化的原子間力引起懸臂梁在垂直方向發(fā)生振動(dòng)，因此，利用激光束的偏轉(zhuǎn)可檢測(cè)出針尖同試樣面間變化的原子間力。將激光束的偏轉(zhuǎn)信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，可得到試樣面的表面信息。在試樣面下方裝有壓電材料，用以接受計(jì)算機(jī)輸出的反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)試樣面的高度，以達(dá)到保護(hù)探針針尖的目的。

　　由于原子力顯微鏡是基于原子間力的理論，因此，被測(cè)試樣面由導(dǎo)體和半導(dǎo)體擴(kuò)展到絕緣體領(lǐng)域，其橫向分辨率可達(dá)0101nm。目前根據(jù)探針針尖同試樣面的接觸情況，將原子力顯微鏡的接觸形式分為接觸型(C型)、非接觸型(NC型)、間歇接觸型(IC型)。由于間歇接觸型IC-AFM兼有C-AFM和NC-AFM的特點(diǎn)，已成為研究的新熱點(diǎn)。

力調(diào)制顯微鏡

　　力調(diào)制顯微鏡(FMM)探針針尖以接觸形式同被測(cè)試樣面相接觸。為保持探針同試樣面恒定接觸，使懸臂梁保持恒定彎曲，需將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的反饋信號(hào)送給懸臂梁。由于試樣面的局部彈性有差異，經(jīng)調(diào)制后的探針振動(dòng)信號(hào)隨試樣面局部彈性的不同而變化，因此，通過測(cè)量振幅的變化量可得到試樣面的局部彈性情況。探針?biāo)有盘?hào)為100～1000kHz，要略高于反饋信號(hào)。

　　力調(diào)制顯微鏡的Zda特點(diǎn)是可測(cè)量表面的彈性變化情況，其橫向分辨率要高于原子力顯微鏡一個(gè)數(shù)量級(jí)。

相位檢測(cè)顯微鏡

　　相位檢測(cè)顯微鏡(PDM)在試樣面上施加輸入信號(hào)，則在懸臂梁上有相應(yīng)的輸出信號(hào)。將兩種信號(hào)同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，可得到試樣面的表面特性。

　　相位檢測(cè)顯微鏡的特點(diǎn)是接觸面處的接觸方式既可以是接觸型、非接觸型，也可以是間歇接觸型。可檢測(cè)出表面的彈性情況、粘性情況和摩擦情況。

靜電力顯微鏡

　　靜電力顯微鏡(EFM)中，探針同試樣面的接觸情況為非接觸型。當(dāng)探針在試樣面上進(jìn)行掃描時(shí)，由于試樣面上電荷密度有差異，探針和試樣面間形成的靜電力隨掃描區(qū)域的不同而變化，因此，通過測(cè)量懸臂梁的振幅變化量可得到試樣面的表面電荷分布情況。該項(xiàng)技術(shù)由于被用于微處理器等深亞微米芯片檢測(cè)而被稱為“電荷探針”。

電容掃描顯微鏡

　　電容掃描顯微鏡(SCM)中探針同試樣面的接觸方式為接觸型的。當(dāng)探針在試樣面上掃描時(shí)，由于針尖同試樣面間的介電常數(shù)隨掃描區(qū)域的不同而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致接觸面處電容的變化。通過測(cè)量變化的電容，可獲得試樣面的介電常數(shù)分布情況。

　　電容掃描顯微鏡的特點(diǎn)是不僅可以測(cè)量表層的介電常數(shù)分布，還可以測(cè)量深層的介電常數(shù)分布。

熱掃描顯微鏡

　　熱掃描顯微鏡(SThM)在接觸處的接觸方式為非接觸型。掃描隧道顯微鏡的懸臂梁由熱膨脹系數(shù)較大的材料制成。當(dāng)探針在試樣面上掃描時(shí)，由于試樣面上不同的熱量分布導(dǎo)致懸臂梁的變形量不同，通過測(cè)量懸臂梁的振動(dòng)變化可得到試樣面上熱的分布情況。

近場光隧道掃描顯微鏡

　　近場光隧道掃描顯微鏡(NSOM)中，探針被固定，試樣面利用壓電技術(shù)進(jìn)行掃描。針尖被做成音插形狀，以提高靈敏度。近場光隧道掃描顯微鏡可測(cè)量幾個(gè)納米的近場，對(duì)于次長波信息，分辨率可達(dá)5～20nm。