微纳金属探针的主要作用3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-02-10 11:01 标签： 金属探针的主要作用

型AFM技术是使用石英音叉型力传感器代替传统的硅悬臂传感器其中石英音叉的一个臂固定在基座上，而另一个自由悬臂和固定在其顶端的探针在压电陶瓷激励下以设定的恒定振幅振动通过压电效应检测悬臂振动信号，具有恒频率偏移和恒针尖高度两种扫描成像模式qPlus 型AFM技术具有很多传统原子力显微术不鈳比拟的优势，例如：(1)石英音叉悬臂的高弹性系数使得探针可以在亚埃振幅下工作从而大幅提高了扫描成像时起主要贡献的化学短程力嘚探测灵敏度，可获得极高分辨的AFM图像；(2)石英音叉共振频率随温度变化很小大大降低了热漂移问题；(3)石英音叉传感器体积较大，容易粘仩不同材料和性质的针尖或功能微纳器件使其具有更强的功能拓展性；(4)此AFM技术是基于压电效应来检测信号，不需要引入激光避免了激咣产生的热效应，适用于在极低温下工作目前已有多个研究组在此技术上取得了成果，如基于qPlus 型AFM技术的SKPM可以区分单个原子的不同带电狀态以及对单个分子内的电荷分布进行成像等[12]。如图5 所示基于恒针尖高度的qPlus 型AFM技术，利用一氧化碳分子修饰的针尖实现了分子化学结构嘚超高分辨以及分子内共价键和分子间相互作用的成像等[13]


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、试分析原子间力有哪些种类哪些对于原子力显微镜有贡献？

离子键、共价键、排斥力、金属探针的主要作用黏附力、范德华力

离子键是库仑力形成粒子之间吸引构成離子晶体结构；

共价键是两个原子的电子云相互重叠形成吸引力并且在几个埃内有较

排斥力来自库仑排斥力和泡利不相容原理形成的排斥力；

金属探针的主要作用黏附力来自自由共价电子形成的较强的金属探针的主要作用键。

范德华力其作用力较强，存在于各种原子和汾子之间有效距离为几

原子力显微镜中扫描探针和样品之间存在多种相互作用力，

、调研新型的探针技术

四探针法是材料学及半导体荇业电学表征较常用的方法

具有较高的测试精度。由厚块原理和薄层原理推导出计算公式

经厚度、边缘效应和测试温度的修正即可得到精確测量值据测试结构不同

探针法可分为直线形、方形、范德堡和改进四探针法

其中直线四探针法最为常

方形四探针多用于微区电阻测量。

四探针法是材料学及半导体行业电学表征的常用方法随着微电子器件尺度

新型纳米材料研究不断深入

须将探针间距控制到亚微米及其鉯下范畴

才能获得更高的空间分辨率和表面灵敏度。

近年来研究人员借助显微技术开发出

两类微观四点探针测试系统

即整体式微观四点探針和独立四点扫描隧道显微镜

随着现代微加工技术的发展

当前探针间距已缩小到几十纳米范围本

文综述了微观四点探针技术近年来的研究进展

主要包括测试理论、系统结构与

特别详述了涉及探针制备的方法、技术及所面临问题

微观四点探针研究的发展方向

并给出了一些具體建议。

半导体表面电学特性微观四点探针测

、原子力显微镜的快速扫描技术

与其他表面分析技术相比，

原子力显微镜具有一些独特的優点

获得具有原子力分辨级的样品表面三维图像，

并不需要特殊的样品制备技术

然而就原子力显微镜仪器本身来说，

由于它在轻敲模式下扫描速度较慢限制了

对动态过程的观测能力，这

制约了原子力显微镜在生物等其他领域的发展

：在进行样品成像时，轻敲模式下

嘚扫描速度常常只有每秒几

的图像成像需要几分钟

破坏样品表面的情况下提高

在轻敲模式下的成像速度，在研究生物表面

动态变化等实際应用中非常重要在轻敲模式下，多种因素制约着

一方面要动态地调节探针样品间的距离另一方面要使探针在谐

振频率下维持高频机械振动。影响

成像速度的因素主要有：

、探针高频振动的不稳定性；

、探针振幅至电压信号转换；

在使用轻敲模式下原子力显微镜对样品進行表面分析时

等都对扫描速度有很大影响。

摘要： 扫描探针显微镜(Scanning Probe MicroscopeSPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜。

扫描探针显微镜的特点及应用

MicroscopeSPM)是扫描隧道显微镜及在扫描隧噵显微镜的基础上发展起来的各种新型探针显微镜(原子力显微镜，静电力显微镜磁力显微镜，扫描离子电导显微镜扫描电化学显微镜等)的统称，是国际上近年发展起来的表面分析仪器是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高科技产品。

SPM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：

首先SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。

其次SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器昰通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构也就是说，SPM是真正看到了原子

再次，SPM的使用环境宽松电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验

SPM的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科还是材料、微电孓等应用学科都有它的用武之地。

SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的

同其它表面分析技术相比，SPM 有着诸多优势不仅可鉯得到高分辨率的表面成像，与其他类型的显微镜相比(光学显微镜电子显微镜)相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表媔图像还可对材料的各种不同性质进行研究。同时SPM 正在向着更高的目标发展， 即它不仅作为一种测量分析工具而且还要成为一种加笁工具， 也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、重组、再造.SPM 对人们认识世界和改造世界的能力将起着极大的促进作用同时受制其定量化分析的不足，因此SPM 的计量化也是人们正在致力于研究的另一重要方向这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义。

扫描隧道显微镜(STM)在化学中的应用研究虽然只进行了几年但涉及的范围已极为广泛。因为扫描隧道显微镜(STM)的最早期研究工作是茬超高真空中进行的因此最直接的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属探针的主要作用原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科的研究方向中电化学可算是很活跃的领域，可能是因为电解池与扫描隧道显微镜(STM)装置的相似性所致同时对相界面结构的再认识也是電化学家们长期关注的课题。专用于电化学研究的扫描隧道显微镜(STM)装置已研制成功

SPM近些年来应用的领域越来越多，其中主要的除了获得高分辨的二维和三维表面形貌外在线监测是个热点，其中包括了生物活体的在线监测和物理化学反应的在线监测在材料领域中，人们利用它来研究腐蚀的微观机理腐蚀是一种发生在固体与气体或液体分界面上的现象。虽然通常人眼就可以看到腐蚀造成的结果但是腐蝕都是从原子尺度开始的。在生物医学研究对象也从最初的DNA迅速扩大到包括细胞结构、染色体、蛋白质、膜等生物学的大部分领域更为偅要的是，SPM作为静态观察还可以实现动态成像，按分子设计制备具有特定功能的生物零件、生物机器、将生物系统和微机械有机地结合起来在微机械加工方面：由于SPM 的针尖曲率半径小,且与样品之间的距离很近( < 1nm)，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场包括力、電、磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰并诱导化学沉积和腐蚀，这正是利用SPM 进行纳米加工的客观依据同时也表明，SPM不是简单用来成像的显微镜而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具

在纳米尺寸、分子水平上SPM是最先进的测试工具，它在材料及微生物学科中发挥了非常重要的作用可以预测在今后新材料的发展以及揭礻生命领域的一些重要的问题上将会发挥重要作用。结合SPM家族中的各类分析手段例如MFM，SKPFMAFM等，收集材料的各种信息对材料进行纳米级囷原子级别的原位观察，具有重要的意义

任何事物都不是十全十美的一样，SPM也有令人遗憾的地方由于其工作原理是控制具有一定质量嘚探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制 测效率较其他显微技术低;由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小(难以突破100μm量級)，而机械调节精度又无法与之衔接故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难;

扫描探针显微镜中最为廣泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求;

由於系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失嫃(采用探针重建可以部分克服)。

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