掃描隧道顯微鏡(STM)與原子力顯微鏡(AFM)的對比

1.1 STM工作原理

掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。尖銳金屬探針在樣品表面掃描，利用針尖-樣品間納米間隙的量子隧道效應引起隧道電流與間隙大小呈指數關系，獲得原子級樣品表面形貌特征圖象。

圖1 STM的基本原理圖

1.2 STM工作模式

根據針尖與樣品間相對運動方式的不同，STM有兩種工作模式：恒電流模式（a）和恒高模式（b）。

（a）恒電流模式

（b）恒高度模式

圖2 STM掃描模式示意圖

恒電流模式：掃描時，在偏壓不變的情況下，始終保持隧道電流恒定。

恒高模式：始終控制針尖在樣品表面某一水平高度上掃描，隨樣品表面高低起伏，隧道電流不斷變化。所得到的STM圖像不僅勾畫出樣品表面原子的幾何結構，而且還反映了原子的電子結構特征。

恒電流模式是掃描隧道顯微鏡最常用的一種工作模式。以恒電流模式工作時，由于STM的針尖是隨著樣品表面的起伏而上下運動，因此不會因表面起伏太大而碰撞到樣品表面，所以恒電流模式適于觀察表面起伏較大的樣品。

恒高模式工作時，由于針尖的高度恒定不變，所以僅適用于觀察表面起伏不大的樣品。但在恒高模式下工作，獲取STM圖像快，且能有效地減少噪音和熱漂移對隧道電流的干擾，提高分辨率。

1.3 STM特點

圖3 STM與TEM、SEM、FIM及AES的特性比較

與TEM、SEM等分析技術相比，掃描隧道顯微鏡具有如下特點：

1）STM結構簡單。

2）其實驗可在多種環境中進行：如大氣、超高真空或液體（包括在絕緣液體和電解液中）。

3）工作溫度范圍較寬，可在mK到1100K范圍內變化。這是目前任何一種顯微技術都不能同時做到的。

4）分辨率高，掃描隧道顯微鏡在水平和垂直分辨率可以分別達到0.1nm和0.01nm。因此可直接觀察到材料表面的單個原子和原子在材料表面上的三維結構圖像。

5）在觀測材料表面結構的同時，可得到材料表面的掃描隧道譜（STS），從而可以研究材料表面化學結構和電子狀態。

6）不能探測深層信息，無法直接觀察絕緣體。

1.4 STM應用

利用掃描隧道顯微鏡可直接觀測材料表面原子是否具有周期性的表面結構特征，表面的重構和結構缺陷等。

圖4 在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖像

圖5 利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖

（a）Si(100)-2×1表面 表面尺寸為6.0nm×6.0nm

（b）Si(100)-2×1表面 尺寸為10.6nm×10.6nm

圖6 硅表面的原子圖像

圖（a）中可看到Si(100)-2×1表面上有兩個Si原子組成的二聚體結構以及由這些二聚體形成的二聚體列。圖（b）中可觀察到Si(100)-2×1表面上的單原子臺階和不同種類的單原子缺陷。

2 AFM

2.1 AFM工作原理

原子力顯微鏡是一種類似于掃描隧道顯微鏡的顯微技術，它們的主要不同點是掃描隧道顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的隧道電流，而原子力顯微鏡檢測的是針尖和樣品間的力。

AFM可以研究絕緣體樣品的表面結構。AFM分辨率：橫向0.15nm，縱向0.05nm。STM分辨率：橫向0.1nm，縱向0.01nm。

AFM不但可測樣品的表面形貌，達到接近原子分辨率，還可測量表面原子間的力，測量表面的彈性，塑性，硬度，粘著力，摩擦力等性質。

圖7 AFM的工作原理

2.2 AFM工作模式

在原子力顯微鏡成像模式中，根據針尖與樣品間作用力的不同性質可分為：接觸模式，非接觸模式，輕敲模式。

1) 接觸成像模式：針尖在掃描過程中始終同樣品表面接觸。針尖和樣品間的相互作用力為接觸原子間電子的庫侖排斥力（其力大小為10-8~10-6N）。優點為圖像穩定，分辨率高，缺點為由于針尖和樣品間粘附力的作用等因素影響，可影響成像質量。

2) 非接觸成像模式：當針尖在樣品表面掃描時，始終保持不與樣品表面接觸（一般保持5~20nm的距離）。在非接觸模式中， 針尖與樣品間的作用力是長程力——范德華吸引力。由于針尖始終不與樣品表面接觸，因而避免了接觸模式中遇到的一些問題。缺點是由于范德華力非常小，因此比接觸模式的分辨率較低，并且不適合于液體中成像。

3) 輕敲成像模式：同非接觸模式相似， 在針尖掃描過程中，微懸臂也是振蕩的，其振幅比非接觸模式更大，同時針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。優點是分辨率高（近乎等同接觸模式）；可應用于柔軟、易碎和粘附性樣品；由于作用力是垂直的，材料表面受橫向摩擦力、壓縮力、剪切力的影響較小。

2.3 AFM應用舉例

由于原子力顯微鏡對所分析樣品的導電性無要求，因此使其在諸多材料領域中得到了廣泛應用。

圖8 ITO薄膜

透明導電的ITO薄膜，隨著成膜方法、膜厚、基底溫度等成膜條件變化， 而表面形貌不同。將膜厚120nm（左）與450nm（右）的ITO薄膜進行比較時，隨著膜厚的增加，每個結晶顆粒明顯地長大。另外，明顯地觀察到濺射生長法特有的晶粒－亞晶粒結構。

圖9 牙齒的蜂窩狀結構

觀察被酸腐蝕的牙齒釉質表面。由于釉質的磷灰石結晶的差別，腐蝕出粗糙的蜂窩狀表面。在與口腔內中類似的水溶液中觀察。（使用培養皿型的液體池）

圖10 力-距離曲線

原子力顯微鏡可作為納米級的“壓痕器”，用來測量材料的彈性、塑性、硬度等性質。