湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 賀爽博

掃描探針顯微技術(shù)及其應(yīng)用

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué) 賀爽博

當(dāng)今納米科技時(shí)代，顯微技術(shù)越來(lái)越成為一項(xiàng)不可或缺的研究手段。本文全面介紹了目前具有廣泛應(yīng)用的掃描探針顯微技術(shù)，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)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(shù)。本文介紹了這些掃描探針顯微技術(shù)的工作原理，并比較了它們?cè)趹?yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)。

掃描探針顯微技術(shù)；掃描隧道顯微鏡；原子力顯微鏡；發(fā)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(qū)動(dòng)下，物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的研究早已進(jìn)入到了微觀（納米）領(lǐng)域。在納米科技時(shí)代，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了更多有趣的物理現(xiàn)象、更多性能優(yōu)越的新型材料，也開(kāi)發(fā)了更多新型器件的應(yīng)用。而這一切都離不開(kāi)微觀尺度表征手段的發(fā)展。顯微技術(shù)是納米科技領(lǐng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以被用來(lái)測(cè)量材料在納米尺度的物理特性。傳統(tǒng)的光學(xué)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(jì)30年代逐漸發(fā)展起來(lái)的電子顯微鏡，雖然具有很高的分辨率和比較完善的測(cè)試功能，但是它具有儀器龐大、昂貴，運(yùn)行、維護(hù)成本高，高真空要求，樣品準(zhǔn)備工藝復(fù)雜，測(cè)試效率低等缺點(diǎn)。相比之下，于上世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來(lái)的掃描探針顯微技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、測(cè)試效率高等優(yōu)勢(shì)，因此，自其發(fā)明以來(lái)，就得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

目前，人們已發(fā)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(jié)構(gòu)的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及針對(duì)具體物理性質(zhì)測(cè)量功能而實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡等。[1-3]本文綜述了幾種常見(jiàn)的掃描探針顯微技術(shù)，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(shí)現(xiàn)的導(dǎo)電原子力顯微鏡、壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡。本文以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，以及相應(yīng)的不同于宏觀效應(yīng)的表現(xiàn)。

2.掃描探針顯微技術(shù)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(yīng)而發(fā)明的一種顯微鏡。電子隧道效應(yīng)指的是，當(dāng)兩塊導(dǎo)體相距很近時(shí)，在兩者之間施加一個(gè)小的偏電壓，電子會(huì)穿過(guò)中間的勢(shì)壘，產(chǎn)生定向的隧道電流。電子的隧道效應(yīng)是其波動(dòng)性的一種體現(xiàn)。

在掃描隧道顯微鏡中，由金屬針尖充當(dāng)一端電極，所測(cè)樣品充當(dāng)另一端電極，針尖與樣品間存在真空勢(shì)壘。由于針尖足夠尖，測(cè)量時(shí)的勢(shì)壘厚度即為針尖最下端的一個(gè)原子與樣品表面原子之間的距離。隧道電流對(duì)勢(shì)壘厚度呈指數(shù)式依賴關(guān)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(shù)。一般情況下，針尖-樣品間距離每增減0.1nm（1?），隧道電流就會(huì)變化一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，隧道電流是一個(gè)可以精準(zhǔn)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(guò)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(dòng)，針尖就會(huì)隨著樣品表面的起伏而上下移動(dòng)。針尖的移動(dòng)由壓電材料精確控制。然后通過(guò)電子反饋線路，利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，便完成了對(duì)材料表面形貌的表征。另一種是恒高模式，即，在測(cè)量過(guò)程中保持針尖高度恒定。隨著針尖在水平方向的移動(dòng)，隧道電流相應(yīng)地變化。利用電子反饋線路將電流數(shù)據(jù)收集起來(lái)，便能夠成功表征樣品表面形貌。隧道電流對(duì)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?shí)現(xiàn)單個(gè)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(gè)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(yīng)，所以它只能用來(lái)表征和研究導(dǎo)體材料，而不能用來(lái)研究半導(dǎo)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(cè)的物理量，來(lái)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(guān)。如果能夠測(cè)量出針尖受到的來(lái)自于材料表面原子的作用力，就能夠計(jì)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(cè)量的探針由微懸臂與針尖構(gòu)成。當(dāng)針尖足夠尖時(shí)，針尖頂端原子和樣品表面原子的相互作用就會(huì)十分靈敏。原子力的大小主要由微懸臂的形變程度來(lái)反映。通過(guò)激光照射微懸臂，當(dāng)微懸臂因原子力的改變而發(fā)生形變時(shí)，激光就會(huì)發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。這一偏轉(zhuǎn)利用激光接收裝置接收并記錄下來(lái)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，最后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就能得到樣品表面形貌的圖像。

兩個(gè)原子之間的勢(shì)能與距離之間的關(guān)系式為[4]：

其中e 是勢(shì)阱深度，r是原子的半徑，d是原子之間的距離。兩個(gè)原子的相互作用可以分為兩個(gè)區(qū)域，較小距離的斥力區(qū)域和較大距離的引力區(qū)域。依據(jù)針尖-樣品原子作用力性質(zhì)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(fā)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(yōu)點(diǎn)是可以忽略材料表面由于水蒸氣所產(chǎn)生的液滴的影響，缺點(diǎn)是由于針尖原子與材料表面原子互相接觸，可能會(huì)對(duì)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(shí)針尖與樣品相距較近，卻又不互相接觸。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)破壞樣品表面本身的形貌，但缺點(diǎn)是容易受到材料表面液滴的影響導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。

輕敲模式是運(yùn)用最為廣泛的工作模式。輕敲模式是使針尖在一定范圍內(nèi)不斷擺動(dòng)，所受原子間作用力在斥力與引力間不斷轉(zhuǎn)換。由針尖的擺動(dòng)頻率來(lái)測(cè)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(huì)破壞樣品表面，又不會(huì)受樣品表面液滴影響，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)就是表征速度較慢，表征材料形貌所耗時(shí)間較長(zhǎng)。

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(lái)表征樣品的表面形貌，或者在實(shí)現(xiàn)原子分辨的條件下，用來(lái)觀察分子結(jié)構(gòu)。想要測(cè)量材料的某些物理性質(zhì)，就需要一些具有專用功能的原子力顯微技術(shù)。這里介紹其中應(yīng)用得比較廣泛的三種：導(dǎo)電原子力顯微鏡，壓電響應(yīng)力顯微鏡和磁力顯微鏡。其中以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，介紹了它在阻變效應(yīng)研究中的應(yīng)用。

2．3．1 導(dǎo)電原子力顯微鏡

導(dǎo)電原子力顯微鏡主要用于測(cè)量材料在納米尺度的導(dǎo)電性質(zhì)。在原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上，利用一個(gè)導(dǎo)電針尖（使用導(dǎo)電材料制備針尖，或在針尖表面鍍一層金屬），外加一個(gè)測(cè)量電流的模塊，在探針對(duì)樣品進(jìn)行掃描得到樣品表面形貌的同時(shí)，結(jié)合測(cè)量的電流，還可以得到樣品的導(dǎo)電性分布圖。導(dǎo)電原子力顯微鏡除了可以用于測(cè)量各種微觀電學(xué)性能，如薄膜特性和電容，電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，還可以用于研究導(dǎo)電納米線路的電場(chǎng)和電遷移現(xiàn)象[5]。

目前，導(dǎo)電原子力顯微鏡一個(gè)主要的應(yīng)用在于研究阻變效應(yīng)。阻變效應(yīng)指的是，對(duì)一個(gè)金屬/絕緣體/金屬的三明治結(jié)構(gòu)施加電壓或電流，該結(jié)構(gòu)的電阻會(huì)發(fā)生變化[6]。阻變效應(yīng)可用于新型非揮發(fā)性存儲(chǔ)器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。利用三明治結(jié)構(gòu)，只能測(cè)量阻變效應(yīng)一些宏觀的性質(zhì)。想要在納米尺度表征阻變效應(yīng)，從而更深入地研究效應(yīng)機(jī)制，導(dǎo)電原子力顯微鏡提供了一個(gè)很好的途徑。利用導(dǎo)電原子力顯微鏡觀察到，產(chǎn)生阻變效應(yīng)的導(dǎo)電細(xì)絲的尺寸最小可達(dá)到1納米[7]。此外，如果想要研究一些納米結(jié)構(gòu)，比如納米線、納米點(diǎn)的阻變效應(yīng)，宏觀結(jié)構(gòu)很難制備，導(dǎo)電原子力顯微鏡則能很輕易地應(yīng)用于這些納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量。因此，導(dǎo)電原子力顯微鏡為研究阻變效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制提供了一個(gè)很好的平臺(tái)，同時(shí)它也是研究納米結(jié)構(gòu)阻變效應(yīng)的強(qiáng)有力的手段。

2．3．2 壓電響應(yīng)力顯微鏡

壓電響應(yīng)力顯微鏡是測(cè)量材料在納米尺度的壓電效應(yīng)的有力工具[8]。正壓電效應(yīng)指的是，某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化，在兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷；逆壓電效應(yīng)則是在電介極化方向上施加電場(chǎng)，電介質(zhì)發(fā)生形變。由于機(jī)械力和電荷在一定壓力范圍內(nèi)呈線性可逆關(guān)系，所以壓電效應(yīng)對(duì)于控制物理形變，測(cè)量電壓等有很大的作用。

壓電響應(yīng)力顯微鏡通過(guò)給材料施加交變電流，再由探針測(cè)出樣品的形變，由此可以繪制出材料納米區(qū)域的電滯回線，從而進(jìn)行材料壓電性質(zhì)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(zhì)的有力工具[9]。它的工作原理是，利用一個(gè)磁性探針對(duì)磁性樣品進(jìn)行掃描，得到樣品的磁疇分布圖像。具體工作時(shí)，磁力顯微鏡會(huì)對(duì)樣品進(jìn)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(guò)第一次掃描的結(jié)果與樣品保持恒高，以此來(lái)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(guò)第二次掃描得到磁力長(zhǎng)程力的分布圖像，從而得到樣品的磁疇結(jié)構(gòu)。

3.總結(jié)與展望

本文全面介紹了幾種掃描探針顯微技術(shù)，包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡，以及幾種用于測(cè)量材料其它物理性質(zhì)的專用功能的掃描探針顯微技術(shù)。本文在介紹這些掃描探針顯微技術(shù)的工作原理的同時(shí)，還比較了它們?cè)趹?yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)，以便為以后更好地利用掃描探針顯微技術(shù)提供指導(dǎo)。以導(dǎo)電原子力顯微鏡為例，本文具體介紹了它在阻變效應(yīng)研究中的應(yīng)用，凸顯了掃描探針顯微技術(shù)在當(dāng)今材料科學(xué)研究領(lǐng)域的重要性。

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