玖月网络科研中常用的几种显微镜的原理及应用介绍:扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜是科研显微镜的主要类型。这里对这些显微镜逐一介绍:扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)是一种扫描隧道显微镜和各种新型探针显微镜(原子力显微镜AFM。
扫描隧道显微镜的原理是将一根很细的探针(针头只有一个原子大小)通电，然后它穿过观察目标区域。当针与单个原子的距离达到一定程度时，就会发生量子隧道效应，从而形成隧道电流。因为针在不同的位置，隧道电流会有不同程度的波动。通过测量隧道电流，可以描述原子的形状。这只有在高科技的支持下才能观察到。
不能用显微镜直接观察，只能通过一些手段间接描述。用显微镜看。可以看的很清楚。理论上，微观粒子只要不断放大再放大，就可以直接观察到。但这在现实中并不可行，因为光学显微镜的分辨率是有限的，其分辨率一般在几百纳米，远远不能满足观察微观粒子的要求。比如金原子的尺寸在2 nm以下，而铁原子的尺寸在1 nm以下。需要注意的是，由于原子由核内和核外电子组成，但电子没有固定的轨道，所以只能近似一个原子的大小范围。
在中国古代的法术中，穿墙术可以说是出现频率很高，现在被广泛应用于各种魔法中。记忆犹新的是，大卫·科波菲尔当年穿越长城。但在现实生活中，人是不可能穿墙的，魔法穿透是一条死胡同。然而在微观世界中，粒子确实可以穿墙而过，这就是著名的量子隧道效应。举个例子，如果人在路上，前面有一座大山，那么如果人要去山的另一边，那么你只能翻过这座山。
这就是粒子隧穿的量子隧穿效应。1896年，法国物理学家发现了铀的放射性，后来居里夫妇对其进行了进一步研究。众所周知，宇宙有四大力:强核力、弱核力、电磁力和引力。杨振宁是三大强国的统一，但宇宙的统一只有一步之遥。居里夫妇在研究中发现，最常见的α衰变是重核即氦核放射出α粒子。
STM的工作原理是利用量子隧道效应来工作的。如果把金属针尖作为一个电极，被测固体样品作为另一个电极，当两者之间的距离小到1nm左右时，就会发生隧道效应，电子从一个电极穿过空间垒到达另一个电极，形成电流。并且其中Ub:偏置电压；k:常数，约等于1，φ 1/2:平均功函数，S:距离。从上式可以看出，隧道电流与针尖样品间距s呈负指数关系，对间距的变化非常敏感。
这样就可以通过测量电流的变化来反映表面原子尺度的波动，如下图右侧所示。这就是STM的基本工作原理，称为恒高模式(保持针尖高度不变)。STM还有另一种工作模式，叫做恒流模式，如下图左侧所示。此时，在针尖扫描期间，隧道电流通过电子反馈回路保持恒定。为了保持电流恒定，针尖随着样品表面的波动上下移动，这样就可以记录针尖上下移动的轨迹，给出样品表面的形貌。
引言扫描隧道显微镜(STM)首次使人类能够观察到单个原子在材料表面的排列以及与表面电子行为相关的物理化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中具有重大意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。隧道尖端的结构是扫描隧道显微镜要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学特性不仅影响扫描隧道显微镜图像的分辨率和形状，还影响所确定的电子状态。
如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是多个针，那么隧道电流会非常稳定，可以得到原子分辨率的图像。如果针尖的化学纯度高，就不会涉及一系列势垒。比如针尖表面有氧化层，其电阻可能高于隧道间隙的电阻，导致隧道电流产生前针尖与样品发生碰撞。国际商业机器公司的苏黎世实验室成功地研究了扫描隧道显微镜。它的出现使人类首次能够观察到单个原子在物质表面的排列状态以及与表面电子行为相关的物理化学性质，为纳米技术的发展提供了有力的观察和实验工具，直接推动了纳米技术的快速发展。作为纳米技术发展史上具有里程碑意义的发明，扫描隧道显微镜被国际科学界公认为世界十大科技成果之一，其发明者曾获诺贝尔物理学奖。
科研中常见的几种科研显微镜主要有扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。这里对这些显微镜逐一介绍:扫描探针显微镜扫描探针显微镜扫描探针显微镜(scanning probe microscope，SPM)是扫描隧道显微镜和各种新型探针显微镜(原子力显微镜AFM、激光力显微镜LFM、磁力显微镜MFM等)的统称。)在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的。它是近年来国际上发展起来的表面分析仪器。它是光电技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计与加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集与控制和高分辨率图形的综合应用。
原子力显微镜(AFM)，一种可以用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面与一个微力敏感元件之间极其微弱的原子间相互作用来研究物质的表面结构和性质。对微弱力极其敏感的一对微悬臂梁一端固定，另一端的微小针尖靠近样品。此时会与它们相互作用，力会使微悬臂梁变形或改变其运动状态。
它主要由带针尖的微悬臂梁、微悬臂梁运动检测装置、监测其运动的反馈回路、扫描样品的压电陶瓷扫描装置以及计算机控制的图像采集、显示和处理系统组成。微悬臂运动可以通过电学方法如隧道电流检测或光学方法如光束偏转法和干涉法来检测。当针尖与样品足够接近，并且存在短程斥力时，通过检测斥力可以获得表面原子分辨率图像，分辨率一般在纳米级别。
AFM是在STM的基础上发展起来的，通过测量样品表面的分子(原子)与AFM微悬臂梁探针之间的相互作用力来观察样品表面的形貌。AFM和STM的主要区别在于，用一端固定、另一端安装在弹性悬臂梁上的尖针尖代替了隧道探针，悬臂梁上的应力引起的微小形变代替了微小的隧道电流。其工作原理:对极微弱的力极其敏感的微悬臂梁一端固定，另一端有微小的针尖，与样品表面轻微接触。
利用光学检测方法或隧道电流检测方法，可以测量每个扫描点对应的位置变化，并将信号放大转换，得到样品表面的原子三维形态图像。原子力显微镜主要由压电扫描器、反馈电子电路、光学反射系统、探针、防震系统和计算机控制系统组成，压电陶瓷管(PZT)控制样品在X、Y和Z方向的运动。当样品相对于针尖沿xy方向扫描时，由于表面的波动，针尖和样品之间的距离发生变化。
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