掃描探針顯微技術及其應用

湖南師范大學附屬中學 賀爽博

掃描探針顯微技術及其應用

湖南師范大學附屬中學 賀爽博

當今納米科技時代，顯微技術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用的掃描探針顯微技術，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及導電原子力顯微鏡、壓電響應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。本文介紹了這些掃描探針顯微技術的工作原理，并比較了它們在應用上的優缺點。

掃描探針顯微技術；掃描隧道顯微鏡；原子力顯微鏡；發展綜述

1.引言

在新物理的探索、電子器件微型化等因素的驅動下，物理、化學、材料等學科的研究早已進入到了微觀（納米）領域。在納米科技時代，人們已經發現了更多有趣的物理現象、更多性能優越的新型材料，也開發了更多新型器件的應用。而這一切都離不開微觀尺度表征手段的發展。顯微技術是納米科技領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、內部結構，也可以被用來測量材料在納米尺度的物理特性。傳統的光學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30年代逐漸發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、維護成本高，高真空要求，樣品準備工藝復雜，測試效率低等缺點。相比之下，于上世紀80年代迅速發展起來的掃描探針顯微技術，具有結構簡單、易于操作、測試效率高等優勢，因此，自其發明以來，就得到了廣泛的關注和應用。

目前，人們已發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/分子結構的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及針對具體物理性質測量功能而實現的導電原子力顯微鏡、壓電響應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，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的導電原子力顯微鏡、壓電響應力顯微鏡和磁力顯微鏡。本文以導電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應領域的應用，以及相應的不同于宏觀效應的表現。

2.掃描探針顯微技術的分類

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而發明的一種顯微鏡。電子隧道效應指的是，當兩塊導體相距很近時，在兩者之間施加一個小的偏電壓，電子會穿過中間的勢壘，產生定向的隧道電流。電子的隧道效應是其波動性的一種體現。

在掃描隧道顯微鏡中，由金屬針尖充當一端電極，所測樣品充當另一端電極，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式依賴關系[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。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量級。因此，隧道電流是一個可以精準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，利用計算機采集數據，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，隧道電流相應地變化。利用電子反饋線路將電流數據收集起來，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，所以它只能用來表征和研究導體材料，而不能用來研究半導體和絕緣材料。

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。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成。當針尖足夠尖時，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，當微懸臂因原子力的改變而發生形變時，激光就會發生明顯偏轉。這一偏轉利用激光接收裝置接收并記錄下來，轉化為數字信息，最后利用計算機進行處理，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域，較小距離的斥力區域和較大距離的引力區域。依據針尖-樣品原子作用力性質的不同，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。這種模式的優點是可以忽略材料表面由于水蒸氣所產生的液滴的影響，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致測量結果失真。

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不斷擺動，所受原子間作用力在斥力與引力間不斷轉換。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，測量結果準確。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，或者在實現原子分辨的條件下，用來觀察分子結構。想要測量材料的某些物理性質，就需要一些具有專用功能的原子力顯微技術。這里介紹其中應用得比較廣泛的三種：導電原子力顯微鏡，壓電響應力顯微鏡和磁力顯微鏡。其中以導電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應研究中的應用。

2．3．1 導電原子力顯微鏡

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

目前，導電原子力顯微鏡一個主要的應用在于研究阻變效應。阻變效應指的是，對一個金屬/絕緣體/金屬的三明治結構施加電壓或電流，該結構的電阻會發生變化[6]。阻變效應可用于新型非揮發性存儲器和人工神經網絡等，具有廣泛的應用前景。利用三明治結構，只能測量阻變效應一些宏觀的性質。想要在納米尺度表征阻變效應，從而更深入地研究效應機制，導電原子力顯微鏡提供了一個很好的途徑。利用導電原子力顯微鏡觀察到，產生阻變效應的導電細絲的尺寸最小可達到1納米[7]。此外，如果想要研究一些納米結構，比如納米線、納米點的阻變效應，宏觀結構很難制備，導電原子力顯微鏡則能很輕易地應用于這些納米結構的測量。因此，導電原子力顯微鏡為研究阻變效應的內在機制提供了一個很好的平臺，同時它也是研究納米結構阻變效應的強有力的手段。

2．3．2 壓電響應力顯微鏡

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

壓電響應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域的電滯回線，從而進行材料壓電性質的研究。

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構。

3.總結與展望

本文全面介紹了幾種掃描探針顯微技術，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的專用功能的掃描探針顯微技術。本文在介紹這些掃描探針顯微技術的工作原理的同時，還比較了它們在應用上的優缺點，以便為以后更好地利用掃描探針顯微技術提供指導。以導電原子力顯微鏡為例，本文具體介紹了它在阻變效應研究中的應用，凸顯了掃描探針顯微技術在當今材料科學研究領域的重要性。

[1]白春禮．科學新聞,2000,26：8．

[2]白春禮,林璋．物理,1999,28：27．

[3]褚宏祥．曲阜師范大學學報,2010,36：80．

[4]樊康奇,賈建援,朱應敏．西安電子科技大學學報(自然科學版),2007,34：947．

[5]郭云,楊德全,孫巖,et al．實驗技術,1999,28：691．

[6]王源,賈嵩,甘學溫．北京大學學報(自然科學版),2011,47：565．

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

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

[9]王邵雷．實驗室研究與探索,2015,34：41．