掃描探針顯微鏡在納米科技發展中的應用

摘 要：納米科技無疑是時下科研和產業的熱點。當物質尺度小到一定程度時，需要用量子力學取代經典力學的觀點來描述它的行為。因此，我們的納米材料往往能表現出完全不同于宏觀世界的特性。在科技已經發展到一定程度的今天，納米世界可以說是我們打開的另一扇大門，里面有無盡的瑰寶等著我們去發現和應用。伴隨著納米研究的深入，新的學科方向也應運而生，像納米電子學、納米生物學、納米材料學等等?？梢哉f我們的世界正走向納米時代。

關鍵詞：掃描探針顯微鏡；納米科技；發展

納米科技的發展離不開各種顯微技術的出現，這其中最常見的莫過于大家所熟悉的光學顯微鏡。在此基礎上，為了提高分辨率，人們又設計用電子束代替光子，出現了各種電子顯微鏡。掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope，簡稱SPM）是一類特殊的顯微鏡，它涵蓋了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunnelling Microscope，簡稱STM），原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，簡稱AFM），以及在此基礎上延伸出的一系列顯微模式。顧名思義，這類顯微鏡是基于納米探針與樣品的作用來成像的。如果將我們熟知的光學顯微方法比作是用眼睛看世界的話，那么SPM就是“盲人摸象”。探針就像是顯微鏡的“手”，觸摸著納米材料的表面，并將它“摸到”的世界告訴大家。

SPM是目前世界上分辨率最高的顯微鏡，可以在實空間看到單個原子，這是其它顯微方法所無法比擬的。同時，SPM直接給出的是三維的立體結果，比起大部分顯微鏡的二維成像來說，多了一個維度的信息。此外，SPM還具有成像環境多樣，應用靈活等優點。這些特質使得SPM表征技術幾乎滲透到了納米科技的各個領域。與此同時，SPM自80年代發明以來，本身也在不斷進步。目前已經發展出了幾十種探測模式。這類獨特的顯微技術正伴隨了納米科技的發展，而展現出強大的生命力。

掃描探針顯微鏡 （Bruker Gmbh， Fastscan）

掃描探針顯微鏡發展歷史

SPM的誕生于1981年，第一成員是掃描隧道顯微鏡（STM）。1981年，IBM實驗室的Binning 和Rohrer采用對探針和樣品間的遂道電流的反饋控制，實現對樣品表面輪廓的探測。STM所達到的效果是驚人的，Binning 和Rohrer直接看到了硅表面的單個原子。STM作為掃描探針顯微鏡家族的第一個成員，為以后SPM的迅猛發展奠定了基礎。而實現實空間原子成像也使STM成為目前分辨率最高的顯微鏡。Binning 和Rohrer也因此獲得了1986年諾貝爾物理學獎。

STM雖然驚艷，但美中不足的是只能對導電樣品成像，無法用于絕緣樣品。1986年，IBM公司Binning和Stanford大學的 Quate研發出了原子力顯微鏡（AFM），彌補了STM的不足。AFM的出現給SPM這個家族帶來了極大的發展空間，除了測試表面的形貌外，人們嘗試在AFM的基礎上，加入各種傳感，來獲取更多種物質的信息。

如今的掃描探針顯微鏡，已經涵蓋了物理，化學，生物等各個領域的應用。小小的探針傳遞著各種來自納米世界的聲音。

掃描探針顯微鏡的特點和應用：SPM從出現開始就震驚世界，經過三十年左右的發展，更是成為納米研究領域的研究利器，其獨特性主要表現在：（1）三維實空間成像；（2）高分辨；（3）成像環境無特別要求；（4）拓展模式豐富多樣。這些特質使得SPM無可替代。

1 三維實空間成像

由于可以直接測到樣品表面微結構的高度信息，且測量穩定性高，因此SPM在納米材料的科研以及工藝檢測上應用廣泛。如薄膜工藝中膜厚的觀測；材料生長中實時形貌的觀察；刻蝕工藝中工藝效果的反饋等。

2 高分辨

SPM 作為目前世界上分辨率最高的顯微鏡，其橫向分辨率可以達到0.1 nm（納米），縱向分辨率高達到0.01nm。其高分辨集中體現在了原子成像，以及對原子分子結構的研究。甚至可以直接用STM來操縱原子。SPM將我們對世界的認知真正提升到了原子層面。

3 成像環境

SPM的另一大優勢就是在空氣，液體，以及真空環境中均可成像。因此，液相AFM成為一大應用熱點，尤其是在生物領域。眾所周知，如何在測試過程中保持生物活性，對于研究實際生物特性意義重大。液相AFM可以在培養液中對活細胞，微生物等直接成像，從而在生物研究中獨樹一幟。除此之外，液相AFM還廣泛到了化學等領域。如用電化學AFM、STM直接觀察樣品的物質析出，欠電位沉積過程等。

4 拓展功能豐富多樣

SPM除了傳統地對表面形貌進行成像外，目前已經衍生出多種拓展模式，如測量樣品導電性的導電原子力、靜電力，測量半導體摻雜分布的掃描電容顯微模式等。AFM探針還可以作為機械手，對材料進行納米刻蝕，納米加工等表面改性的工作。除此之外，新的測量模式也在不斷孕育。SPM方法展現出了強大的靈活性和生命力。

掃描探針顯微鏡在我國的發展前景：掃描探針顯微鏡已經成為納米研究領域的不可或缺的分支。近年來，隨著我國對科研的大量投入，SPM在我國也呈現了勃勃的生機。大量國際頂尖品牌的SPM，如Bruker、 Asylum Research和JPK等落戶在各大高校和研究所以及一些高新技術企業中。而我國科研工作者們在SPM研究工作中，也已經取得了不少突破性的工作。隨著我們整體科技水平的迅速提升，SPM領域必將展現出越來越多中國人的貢獻。