扫描隧道显微镜和原子力显微镜的基本原理是什么？

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扫描地道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）都属于扫描探针显微镜（scanning probe microscopy, SPM)大师庭，并且是此中降生的较早（STM 降生于1982年，是第一种扫描探针显微镜，AFM降生于1986/87年，二者都是Binning et al.初创）且很有代表性的两种。

所用图片除了最后一张之外都是我本身做的ppt，最后一张图片来自于收集搜刮。

下图是一个大要的SPM成长过程

下图从三个方面简单描述一下扫描地道显微镜和原子力显微镜的一些特点：

扫描（scanning）：指显微镜用于当作像的探针在样品概况移动。一般有以下两种模式：

constant interaction mode: 连结针尖和样品概况彼此感化（地道电流之于STM，原子间感化力之于AFM）的值恒心猿意马，这个值一般与针尖和概况间距离相关。当针尖在xy轴偏向移动时，因为样品概况升沉，为了连结电流或原子间感化力的值不变，探针（或样品概况）会在z轴偏向作出调整，其活动轨迹可以形当作反映概况拓扑性质的图像。
constant height mode：连结针尖和样品概况距离不变（z值不变），跟着针尖在xy轴偏向活动，针尖和样品概况的彼此感化的值会发生转变，其数值颠末转化可以形当作图像反映概况布局。

探针（probe）：一般常用的探针有两种

cantilever based probe：用于AFM。因为原子间感化力无法直接测量，AFM利用的探针是一个附着在有弹性的悬臂上的小针尖，悬臂另一面可以反射激光。跟着针尖移动，针尖和样品概况的感化力使得悬臂发生细微的弯曲转变，导致激光反射路径的转变，从而获得样品概况描摹。
conducting probe：用于STM。因为反馈旌旗灯号是地道电流，要求针尖和样品都必需导电，所以STM常用的探针都是金属（Au，W，Pt，Pt-Ir合金之类的）。而电流可以被直接和切确的检测，所以一般一根金属丝就能知足需求了。

显微当作像（microscopy）：既然叫显微镜，最主要的当然是当作像了，图像2D 3D都可以有，还挺炫酷的。当然除了当作像，SPM也可以用来检测各类谱。好比用AFM来检测力曲线，STM测量地道电流随距离的转变之类的。

各类SPM手艺的最本家儿要区别在于feedback signal（反馈旌旗灯号？）的分歧。

STM的feedback signal是tunneling current(地道电流）。这是一种基于量子地道效应的现象—探针针尖的波函数和基底原子之间的波函数在距离极近时彼此叠加，可以让电子冲破能垒，发生电子转移，从而在针尖和基底之间形当作地道电流。电流巨细与针尖和基底间的距离相关（指数关系）。经由过程连结针尖绝对高度不变监测扫过概况时的电流巨细的转变（constant height mode）或者连结电流值不变检测针尖扫过概况时的轨迹（constant current mode），即可当作像。因为测量的是电流，所以STM的样品，必需是导电的。道理大要如下图所示：

AFM的feedback signal是针尖和和样品概况原子之间的彼此感化力（所以才叫“原子力”显微镜呀）。彼此感化力有良多种，静电感化，范德瓦尔斯力之类的n多种，所以AFM可以不雅测不导电的样品。然而这个彼此感化力无法像电旌旗灯号一样直接检测，所以AFM利用激光照在针尖上，当针尖因为原子间感化力（引力和斥力都有）而震动时，激光的反射就会响应的跟着转变。按照针尖和样品概况是否接触，AFM可以分为contact mode和tapping mode两种，今朝还有新的mode在被开辟出来（鄙人的组里就在利用此中一种新mode，暂未定名）。因为AFM的样品不消非得有导电性，所以AFM可以用来检测生物样品，DNA RNA卵白质，甚至是细胞（其实STM也可以检测生物分子啦）。不外今朝因为手艺限制，检测细胞的分辩率还未能达到分子标准。