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一.耦合体系定义和成因 |
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扫描探针显微镜的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，探针和样品之间只有2-3埃 |
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的距离，会产生相互的作用.是一种相互影响的耦合体系。所以SPM图像的质量和真伪不仅取决于 |
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样品本身，而且受制于针尖的状态。 |
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因此，为了获得一幅好的样品图像，对针尖的要求是非常高的。理论上的针尖是原子线度的 |
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极细探针，而实际上我们通常所制备到的针尖不一定都是这样，要么就是几个原子的团簇，要么就 |
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是双针尖，得到单原子针尖通常不是很容易。 |
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二、图像质量的相对性和如何通过调整参数得到相对好的图像 |
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例：如果大范围扫描光栅时,我们关心的是光栅条纹的边界，这就要求反馈一定要跟上，尽可 |
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能好的跟踪表面起伏，我们就可以把扫描速度减慢，反馈速度增大，设定点值也适当增大，但反馈 |
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加快一定会引起震荡，震荡主要影响的是光栅局部表面上的颗粒，而此时由于范围较大，相对而言 |
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这不影响图像质量。但如果缩小范围扫描光栅时，此时我们关心的就是光栅表面金团簇的形貌了， |
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这时就要求震荡尽可能少，而由于金团簇的高低起伏相对较小，针尖容易跟踪样品表面，所以可以 |
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减使扫描速度快点，反馈慢，而设定点的值可以小一些。 |
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三、针尖结构和形态对扫描图像质量的影响 |
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曲率半径：针尖过宽扫描不清晰，扫描图像轮廓模糊，当样品表面偶尔出现一些突起比针尖 |
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的曲率半径还要小的时候就会出现样品扫描针尖的情况。 |
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针尖表面形貌：剪针尖时可能会出现双针尖或者多针尖的情况，这是可能会出现图像台阶，也 |
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可能针尖和样品卷积使图像中颗粒的径度增大，还有可能出现“海市蜃楼”的图像。 |
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针尖态：在扫描高序石墨原子时，初期扫描通常能看到不同的原子图样，这是因为针尖上吸附 |
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了一个或者若干个碳原子。大家知道，碳原子外层有四个电子，固根据不同的吸附关系会呈现不同 |
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的针尖态。可以看到会出现三种不同的状态，我们称之为针尖态。 |
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另外，针尖吸附碳原子的时候可能还会出现其它情况，比如说针尖吸附不止一个碳原子而是一 |
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串碳原子时，就好像针尖下面吊了根绳子似的，这样会使扫描图像左部分出现没有信号。 |
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STM得到HOPG原子图像的猜测： |
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用STM扫描高序石墨时,扫描的图像效果远远好于预期.从理论上来讲，如果用铂铱合金丝制备的 |
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针尖即使假设针尖只是由一个原子构成,铂或者铱的原子的曲率半径要大于高序石墨六方环形的宽 |
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(0.282nm),铂铱原子是不可能探入高序石墨六方环形的里面去的，也就是说扫描高序石墨样品表面 |
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的起伏是不会超过0.01nm的，而实际上在扫描图像时却出现了0.2-0.3nm的起伏，更有趣的是，图像 |
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的起伏不完全是0.2-0.3nm一个值，还出现0.01nm的值，高低起伏只出现几个固定的值。 |
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有人提出一种猜测：由于石墨是层状结构，有可能是针尖往下压的结果。这种猜测很快就被否 |
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定了，人们用STM在高真空和超低温的条件下测量硅晶体样品表面时，也同样的发现了类似情况。 |
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于是有人提出了针尖态的假设，就是当针尖在扫描高序石墨样品时会吸附碳原子，由于碳原子 |
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外层电子是四角锥形，会分别出现一个电子吸附在针尖另外三个电子悬挂、两个电子吸附两个电子 |
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悬空和三个电子吸附一个电子悬空的情况，然后使电子在样品表面扫描，就会出现三种不同的样品 |
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表面起伏。当然最稳定要数第三种情况了。虽然这只是一种假设，但是在业内则成为一种定论。 |
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四、样品结构、样品倾斜对图像质量的影响及图像曲面的产生 |
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1. 样品倾斜 |
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斜面校正功能的数学模型;首先对数据进行二乘曲线拟合（拟合曲线的阶数可以设定），然后 |
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前数据减去拟合曲线对应点的数据，得到矫正后的数据。用当 |
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2. 样品粗糙度太大 |
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6微米扫描器Z方向的最大量程为1微米,50和100微米扫描器Z方向的最大量程为8微米，如果样 |
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品过于粗糙，表面起伏差大于Z方向的最大量程，就会数据溢出，即超出部分没有数据。 |
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3. 样品洁净度、浮动颗粒的影响 |
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样品表面的浮动颗粒容易吸附在针尖上，使针尖曲率半径过大,加上卷积效应，严重影响图像 |
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质量。或者浮动颗粒随着针尖移动，图像出现拉线现象。 |
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五、环境对图像质量的影响 |
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1. 湿度 |
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SPM工作在大气环境中，样品表面总是会形成纳米级的水膜，但环境湿度过大，水膜变厚，使 |
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针尖被吸附，非常容易产生震荡。另外，由于水膜厚度分布不均匀，使图像失真。较好的湿度环 |
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境是50%以下。 |
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2. 温度 |
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环境温度建议在30度以下。 |
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六、噪音对图像质量的影响 |
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噪音有电子噪声和环境振动两个来源。 |
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1. 电子噪音 |
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主要是一个电子设计的精度问题。就是数据传输过程中的正确程度和电子线路的稳定性。（来 |
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源交流变为直流时的纹波，接地线的电阻等） |
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例如：驱动压电陶瓷
理论上压电陶瓷伸长量△X=K（压电系数）·V（电压） |
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实际上：△X+△x=K·(V+/-λ)
λ为纹波 |
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如果要出原子图像就要求△x这部分很小，这可以通过两种方法：尽力降低纹波或者减小压 |
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电系数（即缩小扫描器量程）。 |
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我公司的SPM产品纹波噪声±150V时达到1.5mV，信噪比为200000：1，用最大50微米的扫描 |
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器可以得到原子图像分辨率，该核心指标世界领先。 |
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2. 环境振动 |
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X-Y方向振动要减少到1埃以下；Z方向振动要减少得更低。 |
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由此可见，减振对于我们这类仪器来说非常重要、同时又是非常困难的。世界上第一台STM |
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诞生过程中一大半时间花在减振方案的解决上，市场上提供的各种气浮式减震平台大多不适用于SPM |
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系统，因为它们多把高频振动转化成了低频振动，而对低频的振动很难做到埃级的消振要求。我公司 |
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在从事该仪器研发的前后近10年的时间里，通过大量的实验积累，目前设计的这一套结构简单的减振 |
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体系非常有效，这里面有5层减振环节设计，是确保SPM高分辨率的非常重要的环节。 |
