什么是扫描探针显微镜（SPM）？

由于光的性质，传统的光学显微镜可用于实现约800–1000x的最大放大倍率。扫描电子显微镜（SEM）可用于进一步放大，其中透射电子显微镜（TEMS）可以揭示单个原子，从而提供最高的放大倍率。考虑到这些信息，为什么扫描探针显微镜（SPM）用作另一种类型的显微镜？

一个原因之一是，必须将透射电子显微镜中的一个被调查的样品切成薄片，因此可能会损坏。SPM方法涉及在原子（高度）分辨率下的成像表面结构，而不会破坏样品。另一个原因是由SPM显微镜由于结果被描述为3D图像的类型（在仅评估2D信息的情况下）。由于这是具有光学显微镜的场景，因此使用电子显微镜分析样品的表面结构是高度挑战性的。样品必须切成薄片以测量具有最高分辨率的表面轮廓。此外，SPM在没有真空的情况下起作用，与光学和电子显微镜相反，它具有测量其他物理效应的能力。这包括电特性，例如开尔文探针力显微镜（kpm/kpfm）或磁性特征（磁力显微镜，MFM）。

扫描探针显微镜的类型

直流模式

最基本的AFM操作模式是所谓的DC或接触模式。在这种模式下，当样品表面和悬臂彼此靠近时，将力施加到悬臂（传感）尖端。这导致悬臂的弯曲，从而改变了检测激光的反射率角度。对位置敏感的照片检测器用于测量激光的挠度。在此过程中，将悬臂向样品移动时，将吸引力的力应用于悬臂上。可以使用这些负力进行表面扫描。

直流模式

交流模式

目前，大多数AFM显微镜通常以声称的AC模式而不是DC模式进行操作，以防止悬臂损坏。在扫描过程中，在此模式下使用了非常低的力，并且在悬臂和表面之间几乎没有相互作用而没有分辨损失。

交流模式

悬臂以其共振频率永久振动。这种振荡导致悬臂的周期性弯曲，可以使用反射激光束（例如在DC模式）进行测量。当悬臂靠近表面并与表面原子相互作用时，共振频率发生了变化。（实际上，当悬臂到达表面时，共振频率有所增加。）这导致振幅减弱和悬臂振荡阶段的变化。当尖端靠近样品时，悬臂振荡和尖端样本相互作用的阻尼大致成比例。

与DC模式相比，交流模式的相互作用力较少，并且具有一定的好处：

• 可以在AC模式下成像脆弱的样品，否则在DC测量中会损坏
• 由于低相互作用力，表面本身受测量的影响大大降低了
• 关系相移/阻尼归因于表面材料，因此可以从此操作模式获得更多信息
• 由于较低的力，通常可以使用单个悬臂进行更多图像

磁力显微镜-MFM

悬臂必须用于检测磁力，该磁力用磁性涂层施加。标准MFM提示带有磁涂层，其厚度相对较大约40 nm。高厚度可导致大约50 nm的尖端半径，这与传统的AFM尖端相比要大得多。这些标准尖端可用于实现约100 nm的横向磁分辨率。因此，与AFM地形测量值的普遍预期分辨率相比，磁分辨率要少得多，该分辨率较好10倍。

MFM

当MFM尖端接近样品时，机械力和磁力也有助于悬臂测量的力。尽管与机械力相比，磁力要小得多，但在长距离内有效。可以通过测量来自样品表面的特定距离的MFM力来分离两个力来源，在该距离可以忽略机械力的贡献。

开尔文探针力显微镜 - KPFM

该模式是确定样品表面和悬臂之间的化学电位的技术，因此接收与样品表面上材料和材料状态有关的信息。下图说明了执行KPFM测量的基本框架。

KPFM

当样品电气连接到频率发生器的输出时，样品和悬臂之间会产生振荡电场，可以通过AFM的位置传感器测量。然后，该检测到的信号被馈送到锁定放大器中，并将其输出馈送到积分器中。随后，将结果添加到振荡中作为恒定偏移，然后将其应用于样品。该功能充当反馈循环，从而减少了电诱导的悬臂振荡。

特征

几乎所有SPMS具有解决原子高度步骤的能力：

• 正常的AFM设计用于相对较大的扫描区域（50-200 µm），扫描仪阶段允许对各种不同尺寸和样品类型进行分析。
• 具有侧向原子分辨率的AFM仅用于独特的应用，这些应用需要实现侧向原子分辨率，而不是柔韧性丧失，这是由于总框架的较高稳定性而实现的。
• AFM具有实现侧向原子分辨率的能力。
• 通常，将STM纳入高度稳定的扫描平台中，最大扫描区域约为0.5-10 µm。
• 通常，STM用于超高真空，以确保准备好的样品表面不受影响。
• STM提供的上面是隧道电流总是直接在样品表面上的下一个原子上流动。这种类型的“自我关注”无法使用AFM实现。

该信息已从Semilab半导体物理实验室提供的材料中采购，审查和调整。亚博网站下载

有关此消息来源的更多信息，请访问半导体半导体物理实验室。