掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope)

掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope)
台北縣立三民高級中學化學科林秀蓁老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

俗話說「眼見為憑」，人的眼睛可以看到的極限大概是毫米(mm)，到了微米尺寸 譬如細胞就必須借助顯微鏡。簡單的顯微鏡為光學顯微鏡，解析度受到波長影響，因為可見光範圍350-700 nm，所以光學顯微鏡對奈米世界就顯得無能為力。於是新的顯微鏡技術開始蓬勃發展，例如電子顯微鏡技術(Electron microscope)，利用電子來代替光線觀察物品。另一種則是機械式顯微鏡，利用探針在物品表面掃描移動，探針和物體表面的交互作用變化來「描述」物體表面，稱為掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope)。最常見的掃描探針顯微鏡為掃描穿隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)和原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)。

掃描穿隧顯微鏡是一種利用量子力學的穿隧效應探測物質表面結構的顯微鏡，藉由一支鎢金屬探針，探針針尖和物質表面通電形成穿隧電流，由於穿隧電流大小嚴重受物質表面高低影響，如果要保持穿隧電流的穩定，針尖必須緊貼著物質表面隨其高低起伏，依此得到物體表面的「地形圖」；或是保持針尖的位置，紀錄穿隧電流的變化，都可以得到物體表面的影像。（圖一）

圖一、STM與其工作模式

與掃描穿隧顯微鏡相同之掃描探針顯微技術之代表儀器，為Binnig等人於1986年所發明的原子力顯微鏡，其以原子力場作回饋，主要原理係藉由針尖與待測物體表面的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，以測得待測物體表面結構，對導體及絕緣體均有三維空間原子級解像能力，可應用於多種材料表面檢測，並能在真空、氣體或液體環境中操作。

圖二、AFM與探針

當原子與原子很接近時，彼此電子雲斥力的作用大於原子核與電子雲之間的吸引力作用，利用此原子斥力的變化而產生表面結構為接觸式原子力顯微鏡(contact AFM)，探針與試片的距離約數個  ；反之若兩原子分開有一定距離時，其電子雲斥力的作用小於彼此原子核與電子雲之間的吸引力作用，利用此原子引力的變化而產生表面結構為非接觸式原子力顯微鏡(non-contact AFM)，探針與試片的距離約數十到數百 ；亦可將兩者改良為間歇接觸式（或稱為輕敲式( intermittent contact or tapping)原子力顯微鏡(tapping AFM)）。IBM科學家利用原子力顯微鏡(AFM)取得單個分子的3D影像。這項技術能像X光機穿透肌肉拍攝骨骼影像般，看透電子雲並觀察到分子的「原子骨幹」，並讓科學家建構出直徑只有1.4 nm的有機分子五苯(pentacene)的「力圖」(force map)。AFM技術讓我們「看」到了原子。

目前掃描式探針顯微鏡在量測時，可利用探針與樣品表面間各種不同型式的交互作用而偵測各種不同物理量，為奈米結構提供了微觀世界的量測與原子操控工具，如靜電力顯微鏡(EFM)、磁力顯微鏡(MFM)、摩擦力顯微鏡(LFM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、掃描熱力顯微鏡(SThM)、化學力顯微鏡(CFM)…等。

參考資料：
1. WIKIPEDIA網站–Microscope  http://en.wikipedia.org/wiki/Microscope
2. WIKIPEDIA網站–Scanning probe microscopy  http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_probe_microscopy
3. Sebastian Horch網頁–The Arhus-type Scanning Tunnelling Microscope
    http://dcwww.camd.dtu.dk/~horch/instrument.htm
4. 原子力顯微鏡基本原理(Atomic Force Microscpoic：AFM)  http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch2.htm
5. 原子力顯微鏡原理（atomic force microscope, AFM）  http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch4.htm
6. WIKIPEDIA網站–Atomic_force_microscopy  http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscopy
7. 維基百科網站–量子穿隧效應 http://zh.wikipedia.org/zh/量子穿隧效應
8. <STM原理>，來宝网網站-技術資料，2007年4月29日。
    http://www.labbase.net/News/Show … 1002A80A604EB8.html