高精度测量的特种SPM技术及仪器

测量过程中,测量的准确程度与测量仪器间的作用力是极其重要的,为此需准确测量微纳尺度材料的机械、电子、磁、光以及化学特性.同时,扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)及其相关技术拥有确定探针针尖与样品间作用力的能力,因此,本文主要就微纳尺度的高精度SPM测量技术及仪器做一简单的介绍和回顾.首先介绍了原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)、扫描隧道显微镜(Scanning Tunnel Microscope,STM)及其相关技术原理,其次重点介绍了常温/低温STM、自旋极化(Spin Polarization,SP)-STM、AFM等仪器本身的关键技术及搭建难点,并介绍了运用上述仪器取得的典型成果;再次,介绍了国内外运用极端环境(超低温、超高真空)与常温、大气环境的AFM、STM在特殊区域微纳尺度测量、基于探针技术的微纳电子器件表征与控制,以及SPM操控技术的典型成果最新进展;最后,介绍了本研究小组运用超高真空AFM在磁性材料表征与测量方面的进展.总之,通过本文对SPM高精度测量及其应用的回顾与介绍,对SPM的关键组成部分、关键技术及最新发展有了更深的认识.SPM的先进性、用户的友好体验以及具有鲜明应用指向性的特点,有望在原子/分子科学、纳机电系统(Nanoelectro Mechanical System,NEMS)等领域有重要的应用.     

扫描探针显微镜在材料表征的应用

作为一种广泛应用的表面表征工具,扫描探针显微镜(SPM)不仅可以表征三维形貌,还能定量地研究表面的粗糙度、孔径大小和分布及颗粒尺寸,在许多学科均可发挥作用.综述了国外最新的几种扫描探针显微表征技术,包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和近场扫描光学显微镜(SNOM)等方法,以纳米材料为主要研究对象,展示了这几种技术在表征纳米材料的结构和性能方面的应用.     

针尖化学——化学家的新挑战

提出针尖化学的概念和围绕这一新概念开展的代表性研究工作。利用功能化的扫描探针显微镜(SPM)的针尖,考察自组装膜表面酸碱基团的局域解离性质、测定化学键的强度、聚焦化学反应制备纳米结构等。SPM针尖分别起着化学反应的探针、场所和透镜的作用。     

基于原子力显微镜微探针的新型超灵敏传感器

近年来基于原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)微探针发展的新型超灵敏传感器引起了研究人员的极大兴趣,已成为这一研究领域的前沿方向之一.基于AFM微探针的新型传感器主要是利用AFM的高分辨率、可以测定极微弱的力和AFM微探针悬臂对极微弱力敏感等特性.如利用AFM的高分辨率的特性,通过测定样品表面覆盖度、高度等的变化,发展了新型免疫传感器、DNA传感器等;利用AFM可以测定极微弱的力,通过测定分子对间的相互作用,发展了各种新型微探针力传感器;利用AFM微探针悬臂的对极微弱力敏感,将分子识别反应的力学信号转化为AFM探针微悬臂的纳米机械响应,发展了形式多样的新型化学、生物传感器.文中从AFM微探针信号转换原理的角度分类综述了这一前沿研究方向的重要进展.     

用光电子能谱研究甲酸在Cu(110)氧化表面的吸附态

甲酸在洁净Cu(110)表面的吸附态为HCO0~-(a);在氧化后呈现(2×1)和c(6×2)LEED花样的表面,甲酸使表面氧O~(2-)(a)加氢成水脱附,然后以HCOO~-(a)形态吸附在表面.在严重氧化的Cu(110)表面有三层以上的Cu_2O,甲酸将最上层的O~(2-)(a)加氢成水脱附,产生Cu(0)-O-Cu(I)活性中心,使甲酸以H_2CO形态吸附在表面上.由此可见在铜锌铝甲醇合成催化剂中,能与Cu(I)-O配位的Cu(0)原子,是使中间物HCOO~-(a)加氢脱水的活性中心.     

用于微区阻抗测量的STM探针的制备

基于扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)的新型扫描阻抗显微镜(scanning impedance microscope, SIM)可以对绝缘电介质表面的阻抗性质进行测量,但由于传统STM针尖不适用于这种模式,需要制备新型的探针.介绍了利用电化学腐蚀法制备SIM针尖的工艺,研究了制备过程中各种条件的控制对针尖质量的影响.根据实验结果,对切断时间的控制效果提出了与以往经验不同的看法.最后通过实验分析了适用于阻抗性质扫描的针尖特点,认为适用于阻抗扫描的针尖其曲率半径应在100～200 nm之间,且具有小的纵横比和一级新月结构.     

电化学液膜法腐蚀制备STM探针及其扫描应用

高质量的扫描探针是保证扫描隧道显微镜的超高分辨率的关键。为了制备出原子级分辨能力的探针,本文设计了新型制备扫描隧道显微镜探针装置。该装置在成功避免了传统制备方法的缺点同时,在制备可控性上有了很大的提高。基于此装置,采用电化学腐蚀的方法制备出扫描隧道显微镜探针,扫描电镜表征探针针尖显示尖端异常尖锐。应用于实际Ga As(001)表面扫描可以获得原子级分辨的扫描图,从而进一步证明了利用该新装置可以制备高质量STM探针针尖。     

掺Cu对O吸附RhxPt1-x合金(110)表面偏析的影响

应用计算机编程构造出了考虑和不考虑吸附与偏析相互作用情况下无序二元合金RhxPt1-x(110)表面的原子集团模型(O的覆盖度为0.5).考虑掺Cu对合金表面产生影响的原子集团模型,Cu的掺入采用替位式,即将O的最近邻的Rh替换为Cu.应用Recursion方法计算了掺Cu对O吸附情况下RhxPt1-x无序二元合金(110)表面的电子结构,由此得出:1)Rh0.7Pt0.3合金表面存在着Rh偏析,掺Cu使合金表面偏析情况发生逆转;2)掺Cu后,Cu使Rh与O的共价相互作用减弱,进而降低了合金表面的总态密度.     

基于原子力显微镜微探针的新型超灵敏传感器

近年来基于原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)微探针发展的新型超灵敏传感器引起了研究人员的极大兴趣，已成为这一研究领域的前沿方向之一．基于AFM微探针的新型传感器主要是利用AFM的高分辨率、可以测定极微弱的力和AFM微探针悬臂对极微弱力敏感等特性．如利用AFM的高分辨率的特性，通过测定样品表面覆盖度、高度等的变化，发展了新型免疫传感器、DNA传感器等；利用AFM可以测定极微弱的力，通过测定分子对间的相互作用，发展了各种新型微探针力传感器；利用AFM微探针悬臂的对极微弱力敏感，将分子识别反应的力学信号转化为AFM探针微悬臂的纳米机械响应，发展了形式多样的新型化学、生物传感器．文中从AFM微探针信号转换原理的角度分类综述了这一前沿研究方向的重要进展．     

炭黑活性研究方法进展

综述了国内外炭黑活性研究现状。近百年来,炭黑被大规模使用,但有关其活性的本质却是悬而未决。炭黑使用着重炭黑表面,理论上,用于研究固体表面的仪器、方法均可以用于炭黑研究。表面研究又分为宏观与微观两个层面。宏观方法主要是吸附化学等从统计方法研究炭黑活性;微观方法试图直接研究炭黑表面活性点。宏观化学研究有:反气相色谱(IGC),漫反射红外光谱,紫外可见光光度法电位测定法和小角X光散射法(SAXS);近代微观直接研究方法有扫描隧道显微镜(STM),扫描探针显微镜(SPM),其中最新研究是用原子力显微镜(AFM)在炭黑表面多个确定的位置进行定性定量分析,研究其纳米尺度吸附、脱附性质。文章系统介绍了近年来在炭黑活性上的研究成果,以及炭黑活性点未来研究方向。     

外加电场对云母表面纳尺度摩擦行为的影响

利用原子力显微镜(AFM)研究了施加恒定外电场时,AFM针尖与云母表面间的摩擦力变化情况.结果表明,对样品基底施加一定偏压后,由于针尖与云母表面间的静电作用增强,使得针尖与样品间的总相互作用势增加,从而导致针尖与云母间的摩擦力比未施加偏压时大,且摩擦力大小随电压升高而增大.尤其是施加负偏压时,摩擦力增加更为显著,且大于正偏压时的摩擦力.     

原子力显微镜在膜技术中的应用

在简要介绍原子力显微镜(AFM)的工作原理和特点的基础上,详细阐述了原子力显微镜在三维形貌观测、膜的表面粗糙度、膜的透过通量、成分分析、成膜机理研究和膜表面污染程度等方面的应用,进一步比较原子力显微镜与其他显微分析技术的不同.原子力显微镜在膜技术方面显示了强大的应用能力,由此推动膜技术的迅猛发展.同时,AFM存在一些不足,对于组成复杂的薄膜,不能获得深层次的结构和化学分析.因此,AFM需要研发更多新的分子探针,以实现对薄膜多种组分的识别和成像.     

不同还原剂制备氧化亚铜及其电化学性能研究

基于绿色化学的思想,运用软模板法成功的实现了环境友好型的不同还原剂如葡萄糖、麦芽糖等在水中还原Cu2+,制得了形貌不同的纳米氧化亚铜(Cu2O)晶体,用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对所得产物进行表征,并研究了纳米Cu2O修饰电极的电化学行为。该制备方法简单易行,为纳米Cu2O的绿色合成提供了新的途径。     

基于AFM纳米加工机理和方法的研究进展

作者介绍了近期基于AFM纳米加工方法的最新研究进展，探讨了AFM纳米加工过程中的机理，重点分析了利用AFM针尖诱导表面氧化，针尖诱导表面改性，纳米刻蚀加工，纳米化学反应，单分子，单原子操纵及纳米结构组装等6种基于AFM的纳米加工方法，为今后纳米信息产品的研究和开发奠定了基础，纳米加工技术是一门综合性的交叉学科，研究内容涉及到物理学、化学、生物学、材料学以及机械学等许多方面，文中不仅指出了理阶段研究中存在的问题，并提出了今后需要重视的研究方向。     

氧离子注入对氧化钒薄膜电学特性影响的研究

采用直流磁控溅射方法在Si3N4/Si衬底上淀积了一层55nm的氧化钒薄膜,随后对氧化钒薄膜分别进行不同剂量的O+和Ar+注入.O+具有非常强的化学活性,能够钝化各种电子材料中的缺陷状态,而Ar+作为一种惰性离子,主要是作为一种对比来研究离子轰击对氧化钒的影响.利用四探针测试设备、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼分析(Raman)、傅里叶红外光谱分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)以及X射线衍射仪(XRD)等表征方法来分析离子注入前后氧化钒薄膜性质的变化.实验结果表明,低剂量的O+或Ar+注入都能够使氧化钒的电阻温度系数(TCR)值上升,TCR值分别达到了-2.57%/K或-2.51%/K.而高剂量的O+或Ar+注入反倒会使氧化钒的TCR值和方块电阻(Rsq)值急剧下降.分析发现低剂量O+注入前后薄膜的表面形貌和价键没有发生明显变化.研究表明低剂量O+注入后载流子跳跃导电的激活能上升了,从而导致TCR值上升.     

金属Al、Cu钝化机理电子理论研究

通过计算机编程建立水吸附Al和Cu的模型,利用实空间的Recussion方法分别计算了Al和Cu被H2O吸附前后系统的状态密度和能量变化,及表面金属原子与其近邻原子间的键级积分,并将两个计算结果进行比较.从结果中分析,金属原子的电子转移到H2O分子的O原子上.水吸附金属表面后,状态密度有所下降,次表面原子几乎不受影响,系统总能降低,系统变稳定.H2O使金属表面化学活性降低,并从键级积分计算结果中讨论了Al和Cu钝化膜的形成机理:水通过氧与金属表面原子成键后,表面金属原子与次表面原子作用增强,水中氧和氢原子相互作用改变的不同导致形成不同的钝化膜.     

读者之声

本期学术论文审稿意见三则原子力显微镜(AFM)是继扫描隧道显微镜(STM)之后发展起来的一种原子级分辨率扫描显微镜,可用于导体、半导体和非导体材料表面的结构研究,在表面科学、材料科学和生命科学等领域研究中具有特殊意义。本期第43~46页发     

原子力显微镜针尖与样品间的材料转移

研究氮化硅针尖在十八烷基三甲氧基硅烷 (OTE) /云母表面的修饰过程。使用原子力 /摩擦力显微镜 ,以云母作为参考样品 ,研究了针尖在样品表面的修饰效应和修饰后针尖的清洁过程 ,并考察了湿度和载荷对针尖修饰效应的影响。修饰过程不是一个渐进的过程 ,在最初几次摩擦扫描中修饰较快 ,然后在 10～ 2 0次扫描后达到平衡态。在 OTE/云母表面修饰后的针尖在云母表面的摩擦力信号比修饰前针尖在云母表面的摩擦力信号小 ,并且大部分吸附在针尖表面的 OTE分子在云母表面的前 10次扫描中就被磨掉。相对湿度对针尖的修饰效应影响不大。在研究不同样品的摩擦性能时 ,尽量使用清洁针尖 ,并使用摩擦性能稳定的参考样品 (如云母 )来检测针尖的表面状态     

基材预处理方式对Cu_3(BTC)_2成膜的影响

采用原位水热法在不同方式预处理的Ti材上制备Cu3(BTC)2(H3BTC为C9H6O6,均苯三甲酸)膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X线衍射仪(XRD)等表征手段详细考察预处理方式对Cu3(BTC)2成膜的影响。结果表明:紫外光照射能有效提高Ti材表面的羟基化程度,从而有利于Cu3(BTC)2晶体在表面生长;相比紫外光预处理,Piranha溶液预处理的表面更适合Cu3(BTC)2晶体的生长;在Piranha溶液结合紫外光照射处理的Ti材表面能制备出较连续的Cu3(BTC)2膜。     

戊二醛对原子力显微镜观测大肠杆菌的影响

戊二醛作为生物材料的固定剂,在原子力显微镜(AFM)制样中已广泛使用.虽然已有用戊二醛观测大肠杆菌的文献报道,但到目前为止,关于戊二醛在AFM观测大肠杆菌中的作用还缺乏系统研究.首先分析AFM扫描图像的假像,进而探讨戊二醛的浓度和固定时间对AFM图像质量和大肠杆菌表面形貌的影响.结果表明,戊二醛的浓度和固定时间对AFM图像的清晰度、大肠杆菌的微观结构以及细胞的三维尺寸都有着重要影响.在相同固定条件下所扫描的AFM图像与扫描电子显微镜(SEM)图像对比发现,两者的形貌相似,而AFM图像比SEM图像分辨率更高,在定量分析上也更有优势.