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1.1 扫描探针显微镜的发展概况
1.1.1 扫描隧道显微镜的发明
1982年，Binning G.和H. Rohrer在美国的国际商业机器公司（IBM）位于瑞士的Zurich研究中心试验室中研制出了第一种SPM，由于是利用隧道电流的原理，所以被称为扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy，STM)，人类使用该显微镜成功地观测到了Si材料(111) 面位于表层的原子结构[1]。Binning G和H. Rohrer成功将人类首次带入了原子世界，第一次直接观察到材料表层的原子结构，因此两位科学家获得了1986年的诺贝尔物理学奖。STM的基本原理如图1.1所示，将探针和试样表面分别作为两个电极，其中探针的尖端需达到原子尺度，控制探针的针尖不断接近试样表面，当两者之间的距离足够小(一般需小于1nm)时，在探针和试样表面这两个电极之间施加一个偏置电压Vb，电子会克服两者之间的间隙势垒，穿过两者间的距离缝隙，从探针的尖端流向试样表面或者会从试样表面流向探针的尖端，从而能够产生隧道电流。在偏置电压Vb相等的情况下，随着探针尖端与试样的表面之间的距离逐渐减小，隧道电流会随之呈指数形式快速增加，因此通过测量出隧道电流的大小改变就可以得到试样表面由于原子排布而具有的高低不平的状态，即得到试样表面的样貌信息和原子的排列情况[2]。
图1.1 STM原理图
STM对于试样的破坏极小，其使用不受周围环境因素的限制，在真空、溶液、空气中都可以使用，而且STM 的分辨率也较高，垂直分辨率最高可以达到0.01nm，水平分辨率最高可以达到0.1nm，能够在探针于试样表面进行扫描时描绘试样材料表面的样貌和原子排布的状态，实时地得到试样材料表面的三文形貌图，并且可以直接检测到试样材料表层原子的排布状态，并测量得到试样材料与表层的电子相关的性质和特征，对于材料的近场测量有着突出的优势，但是由于STM是基于隧道效应的原理，也存在与之相对应的不足之处，最突出的一点便是STM测试的材料试样需要具有导电性，因此只能用于导体和半导体材料的研究，而且对于半导体材料研究的得到的结果不及对导体材料研究的结果好[3-4]。
1.1.2 原子力等系列扫描探针显微镜的发明
1985年，Binning G.与美国斯坦福大学的Quate C. F. 教授通过研究共同制造出了首台原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，简称AFM)，这种显微镜能够极高分辨率地测量包括绝缘体的各种材料的表面样貌和性能，不像STM那样只能研究导体和半导体材料，对STM的缺憾之处进行了补充[5-6]。当探针尖端和试样表面之间的距离很近时，探针尖端的原子和试样表层的原子之间会产生相互作用的力，原子力显微镜的工作原理就是通过检测这个力的大小而得到试样材料表面的样貌信息，具体来说，最重要的是需要利用一个能够灵敏地检测到这个微弱力的微悬臂，这个微悬臂的最前端需要有一个极其细小的探针，让探针的尖端向试样表面不断靠近，当距离达到足够小时，探针尖端和试样表层之间的原子间相互作用力是极其微弱的排斥力(力的大小大约在10-8至10-6数量级，单位为N)，通过控制这种原子力的恒定，探针在试样的表面进行扫描的时候，试样表面由于原子排布而存在的凹凸不平的状态，使探针在与扫描面垂直的方向上发生上下起伏运动，通过测得探针尖端在试样的表面扫描各个点时运动的位置轨迹和状态，就可以得到试样表面的样貌信息和原子排布的状态[7]。AFM的分辨率在横向能够达到2nm，在纵向能够达到0.1埃，AFM是在STM基础上得到的更好发展，利用不同的原理，将测量对象的范围由导体、半导体材料扩展到绝缘体[7-8]。