显微镜的STM原理与AFM作业原理
STM概述
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其搭档们一起研制成功了国际上第一台新式的外表剖析仪器—扫描地道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。STM的呈现，使人类第一次能够实时地调查单个原子在物质外表的摆放状况，研讨与外表电子行为有关的物理和化学性质，在外表科学、资料科学等范畴的研讨中具有严重的含义和宽广的运用远景，被国际科学界公认为八十年代国际十大科技成就之一。为赞誉STM的发明者们对科学研讨的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因而取得诺贝尔物理学奖。
STM是继高分辩透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子标准调查物质外表结构的显微镜，其分辩率在水平方向可达0.1nm，笔直方向可达0.01nm，它的呈现标志着纳米技术研讨的一个最严重的转机，乃至能够标志着纳米技术研讨的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米标准的剖析和加工的才能。运用STM，在物理学和化学范畴，可用于研讨原子之间的细小结合能，制作人工分子；在生物学范畴，可用于研讨生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切开和拼装手术；在资料学范畴，能够用于剖析资料的晶格和原子结构，调查晶体中原子标准上的缺点；在微电子范畴，则能够用于加工小至原子标准的新式量子器材。
STM的作业原理
STM是运用量子地道效应作业的。若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的间隔小到1nm左右时，就会呈现地道效应，电子从一个电极穿过空间势垒抵达另一电极构成电流。且其间Ub：偏置电压；k：常数，约等于1，Φ1/2：均匀功函数，S：间隔。
从上式可知，地道电流与针尖样品间隔S成负指数联系。关于间隔的改变十分灵敏。因而，当针尖在被测样品外表做平面扫描时，即便外表仅有原子标准的崎岖，也会导致地道电流的十分明显的、乃至挨近数量级的改变。这样就能够经过丈量电流的改变来反响外表上原子标准的崎岖，如下图右边所示。这便是STM的根本作业原理，这种运转形式称为恒高形式（坚持针尖高度安稳）。
STM还有别的一种作业形式，称为恒流形式，如下图左面。此刻，针尖扫描过程中，经过电子反响回路坚持地道电流不变。为坚持安稳的电流，针尖随样品外表的崎岖上下移动，然后记载下针尖上下运动的轨道，即可给出样品外表的描摹。
恒流形式是STM常用的作业形式，而恒高形式仅适于对外表崎岖不大的样品进行成像。当样品外表崎岖较大时，因为针尖离样品外表十分近，选用恒高形式扫描简单形成针尖与样品外表相撞，导致针尖与样品外表的损坏。
STM原理图
AFM的作业原理
AFM的根本原理与STM类似，在AFM中，运用对弱小力十分灵敏的弹性悬臂上的针尖对样品外表作光栅式扫描。当针尖和样品外表的间隔十分挨近时，针尖顶级的原子与样品外表的原子之间存在极弱小的效果力（10-12~10-6N），此刻，微悬臂就会产生细小的弹性形变。针尖与样品之间的力F与微悬臂的形变之间遵从虎克规律：F=-k*x，其间，k为微悬臂的力常数。所以，只需测出微悬臂形变量的巨细，就能够取得针尖与样品之间效果力的巨细。针尖与样品之间的效果力与间隔有激烈的依靠联系，所以在扫描过程中运用反响回路坚持针尖与样品之间的效果力安稳，即坚持为悬臂的形变量不变，针尖就会随样品外表的崎岖上下移动，记载针尖上下运动的轨道即可得到样品外表描摹的信息。这种作业形式被称为“恒力”形式（ConstantForceMode），是运用最广泛的扫描方法。
AFM的图画也能够运用“恒高”形式（ConstantHeightMode）来取得，也便是在X，Y扫描过程中，不运用反响回路，坚持针尖与样品之间的间隔安稳，经过丈量微悬臂Z方向的形变量来成像。这种方法不运用反响回路，能够选用更高的扫描速度，一般在调查原子、分子像时用得比较多，而关于外表崎岖比较大的样品不适用。
原子力显微镜作业原理图
AFM有多种操作形式，常用的有以下4种：触摸形式（ContactMode）、非触摸（Non-ContactMode）、轻敲形式(TappingMode)、侧向力(LateralForceMode)形式。依据样品外表不同的结构特征和资料的特性以及不同的研讨需求，挑选适宜的操作形式。
AFM三种操作形式的比较
触摸形式
在触摸形式中，针尖一直与样品坚持细微触摸，以恒高或恒力的形式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品外表滑动。一般情况下，触摸形式都能够产生安稳的、高分辩率的图画。
在触摸形式中，假如扫描软样品的时分，样品外表因为和针尖直触摸摸，有或许形成样品的损害。假如为了维护样品，在扫描过程中将样品和针尖之间的效果力削弱的话，图画或许会产生歪曲或得到伪像。一起，外表的毛细效果也会下降分辩率。所以触摸形式一般不适用于研讨生物大分子、低弹性模量样品以及简单移动和变形的样品。
非触摸形式
在非触摸形式中，针尖在样品外表上方振动，一直不与样品触摸，探针监测器检测的是范德华力和静电力等对成像样品的无损坏的长程效果力。这种形式虽然添加了显微镜的灵敏度，但当针尖与样品之间的间隔较长时，分辩率要比触摸形式和轻敲形式都低，并且成像不安稳，操作相对困难，一般不适用于在液体中成像，在生物中的运用也比较少。
轻敲形式
在轻敲形式，微悬臂在其共振频率附近作受迫振动，振动的针尖悄悄的敲击样品外表，连续的和样品触摸，所以又称为间歇触摸形式。因为轻敲形式能够防止针尖粘附到样品上，以及在扫描过程中对样品几乎没有损坏。轻敲形式的针尖在触摸外表时，能够经过供给针尖满足的振幅来战胜针尖和样品间的粘附力。一起，因为效果力是笔直的，外表资料受横向冲突力、压缩力和剪切力的影响较小。轻敲形式同非触摸形式相比较的另一长处是大并且线性的作业范围，使得笔直反响系统高度安稳，可重复进行样品丈量。
轻敲形式AFM在大气和液体环境下都能够完成。在大气环境中，当针尖与样品不触摸时，微悬臂以最大振幅自由振动；当针尖与样品外表触摸时，虽然压电陶瓷片以相同的能量激起微悬臂振动，可是空间阻止效果使得微悬臂的振幅减小，反响系统控制微悬臂的振幅安稳，针尖就跟从样品外表的崎岖上下移动取得描摹信息。轻敲形式相同适合在液体中操作，并且因为液体的阻尼效果，针尖与样品的剪切力更小，对样品的损害也更小，所以在液体中的轻敲形式成像能够对活性生物样品进行现场检测、对溶液反响进行现场盯梢等。
侧向力形式
横向力显微镜（LFM）作业原理与触摸形式的原子力显微镜类似。当微悬臂在样品上方扫描时，因为针尖与样品外表的相互效果，导致悬臂摇摆，其形变的方向大致有两个：笔直与水平方向。一般来说，激光方位探测器所探测到的笔直方向的改变，反映的是样品外表的形状，而在水平方向上所探测到的信号的改变，因为物质外表资料特性的不同，其冲突系数也不同，所以在扫描的过程中，导致微悬臂左右歪曲的程度也不同。微悬臂的改变曲折程度随外表冲突特性改变而增减（添加冲突力导致更大的改变）。激光检测器能够实时别离丈量并记载描摹和横向力数据。一般不只样品外表组分不同能够导致微悬臂歪曲，样品外表描摹的改变也会导致微悬臂的歪曲，如下图所示。为了区别这二者，一般LFM图画和AFM图画应该一起取得。依据导致微悬臂歪曲的原因不同，一般能够运用LFM取得物质外表的组分构成像和“边缘增强像”。
侧向力形式
