| 瀏覽的探測顯微鏡 (SPMs)是評定表面屬性的儀器。 他們包括基本強制顯微鏡 (AFMs)和掃描挖洞顯微鏡 (STMs)。 在他們的第一種應用， SPMs 主要為評定 3D 表面地勢使用了，并且，雖然他們可能現在用於評定許多其他表面屬性，那仍然是他們的主要應用。 SPMs 是我們的表面計量學的時刻最強大的工具，評定維數從原子間的間隔範圍到一毫米的十分之一的表面功能。 所有 SPMs 有共同興趣的主要功能是評定進行與運行鋒利的探測在這個最近的域，即，瀏覽在表面，當維護對表面時的一個非常接近的間隔。 這些儀器，特別地 STMs，是導致基本排列的實際空間圖像的第一个在平面的。 SPMs 現在是最常用的進行非常在 Ångstrom 對測微表等級的準確，三維評定。 表 1. 比較和公用顯微鏡的特性。 | | | | | | 景深 | 小 | 大 | 媒體 | | 景深 | 媒體 | 大 | 小 | | 解決方法： X， Y | 1.0μm | 5nm | AFM 的 2-10nm
STM 的 0.1nm | | 解決方法： Z | n/a | n/a | 0.05nm | | 有效放大 | 1X - 2x103X | 10X - 106X | 5x102X - 108X | | 範例準備需求 | 少許 | 少許對結實 | 一點或無 | | 對於範例是必需的特性 | 範例不能是完全地透明點燃使用的波長 | 表面不能加強充電，并且必須是兼容的真空 | 範例不能有在表面高度 >10 μm 上的局部變化 | *Environmental SEMs 運行在高壓和低 eV，但是解決方法被犧牲。 直到 20 世紀 80 年代，研究員取決於為想像和評定表面形態學的其他儀器。 現在現有在二十年， SPMs 是最新的項到表面計量學域。 與光學顯微鏡和電子顯微鏡 (SEMs， TEMs)， SPMs 評定相對在所有三維數出現： X， Y 和 Z。 像 SEMs， SPMs 圖像和評定這個範例的表面。 多數 SPMs 的 X 和 Y 地形學解決方法，包括 AFMs，是典型地 2 到 10 毫微米 (STM 解決方法可以是像 0.1nm 一樣)。 Z 解決方法是關於設計好的 AFM 或 STM 的 0.1nm。 光學顯微鏡和 SPMs 是最容易使用，用很少或不需要的範例準備和沒有真空。 光學顯微鏡和 SEMs 可能有更大的視野，但是 SPMs 提供最高的放大和解決方法在 3D。 此外在多數範例的仅 SPMs 工作與最小的範例準備。 簡史 在 1981年掃描 (STM)挖洞顯微鏡是第一 SPM 技術和被識別作為有基本解決方法功能。 STM，實際上，仍然提供可用這個最佳的解決方法 (圖 1)。 STM 使用在技巧和範例之間的挖洞當前對圖像範例表面。 不幸地，有那些限制，最重大哪些是這個範例的表面必須是導體或半導體。 這限制可以被學習的材料。 
在白金的圖 1. 顯示單一原子缺陷的 STM 圖像在碘被吸附物格子。 2.5nm 掃描。 在 1986年此限制導致了這個發明第一個基本強制顯微鏡中。 第一个商業可用的 AFM，數字儀器 NanoScope® 在 1989年介紹。 像 STM， AFM 也使用一個非常鋒利的技巧探查和映射表面的形態學。 然而，在 AFM 沒有需求評定在技巧和範例之間的當前。 在這種情況下，這個技巧是在有一個低彈簧常數的一個微型被製造的懸臂結束時。 在聯繫模式 AFM 下，第一個 AFM 技術，技巧範例強制通過維護常數和非常低偏折對負固定懸臂式，推進這個範例的技巧。 此強制可以是在固體的原子間力範圍內。 其次，我們描述 AFM 基本要點，包括這個技巧的垂直運動如何被檢測并且被變換成地形學數據。 基本的 AFM 要素 基本的 AFM 是相對地簡單的在概念 (圖 2a)。 其最接近的前輩是鐵筆仿形銑床。 
圖 2. (a) 簡化通用 AFM 的繪製。 照片顯示 (b) 多重狀態的 SPM 的示例， (c) 維數 3100 SPM 和 (d) 半導體應用的充分地自動化的機器人維數 X3D 系統。 AFM 技術比鐵筆仿形銑床使用更加鋒利的探測和更低的強制更加高分辨率的情報，不用範例故障。 通用 AFM 包括下列要素： - 掃描系統
- 探測
- 探測運動傳感器
- 管理員電子
- 噪聲隔離
- 計算機
掃描系統 AFM 和顯微鏡的重點的最根本的要素是掃描程序。 根據單個設計，掃描程序可能瀏覽 (移動) 這個範例 (圖 2b， MultiMode™ SPM)，如果這個範例是足够小的，或者它可能瀏覽在一個更大的範例 (圖 2c， Dimension™的探測 3100 个 SPM)。 要完成需要的這個精確度，一個壓電管掃描程序典型地用於為了提供子Ångstrom 運動控制。 探測 在這個系統的另一個關鍵部件是探測。 如上所述，探測可以固定式，并且這個範例可以瀏覽在它下或探測可以瀏覽在這個範例。 今天複雜的技術，技巧/組成探測的懸臂式集合 (圖 3) 可以大量生產與一貫地形狀，非常鋒利的技巧。 這些技巧是集成到懸臂的末端，有為各種各樣的應用設計的各種各樣的屬性。 
圖 3. 一個被銘刻的單一水晶硅 AFM 技巧和技巧/懸臂式集合的 SEM 微寫器 探測運動傳感器 此部件感覺在探測和這個範例之間的強制并且提供更正信號給壓電掃描程序 (圖 2a) 的 Z 部分保留力常數。 此功能的最公用的設計稱光學電子束偏轉系統，最低噪聲，最穩定和可用多數多才多藝的系統。 此設計使用一激光發光在和反射懸臂的返回和在一支被分割的光電二極管上上評定探測行動。 管理員電子 此部件提供連接計算機、掃描系統和探測運動傳感器之間。 它提供控制壓電掃描程序的電壓，接受從探測運動傳感器的信號并且包含保留的強制反饋控制電子在範例和技巧常數之間。 噪聲隔離 要達到最高分辨率，必須與在其周圍的噪聲查出顯微鏡。 有非常查出的 AFMs 有效，簡單系統從樓層振動和從音響，電子和光學噪聲來源。 計算機 終於，瀏覽的探測顯微學和 AFM 不會是可行的沒有驅動這個系統和處理，要顯示和分析導致的財富的強大，高速個人計算機的可用性數據。 應用/掃描技術 在其短的一生， SPM 已經添加了許多差異到根本掃描挖洞主題。 一旦 AFM 解決了嚴重應用限額 STM (範例傳導性需求)，技術種類，并且應用範圍開始採蘑菇。 雖然地形學映射仍然是對 AFM (圖 4)，商業可用的 SPMs 的統治申請現在请提供某些或所有下列技術： 瀏覽的挖洞顯微學 使用挖洞 (STM)當前的瀏覽的挖洞顯微學評定地勢在探測技巧和一個導電性範例之間出現。 
圖 4. 詳細地勢三個缺陷 - 二伸進和消沉 - 在移相石版影印屏蔽。 橫斷面評定小二伸進在這個圖像的飛機的 (a) ~140nm。 消沉缺陷 (b) 比 6nm 評定較少深深。 1.5μm 掃描。 聯繫模式 AFM 聯繫模式 AFM 永恆地評定與探測的地勢與這個範例聯繫。 TappingMode AFM TappingMode AFM (給予專利) 評定地勢通過輕開發與一個擺動的探測技巧的表面。 消滅剪切力 (存在聯繫模式下)。 TappingMode 現在是選擇掃瞄方式多數申請的，特別地對像聚合物的更軟的表面。 沒有接觸的模式 AFM 沒有接觸的模式 AFM 評定地勢通過感覺在表面和探測之間的範 der Waals 吸引力打翻。 它比聯絡或 TappingMode 較不穩定的。 LiftMode LiftMode (給予專利) 是分別地評定地勢和另一個所選的屬性的一個二路式的技術 (磁力、電力等等) 使用地形學信息在表面上的恆定的遠處跟蹤探測技巧。 PhaseImaging PhaseImaging (給予專利) 映射在這個範例的局部機械或粘著性上的區別基礎上的表面構成。 側力顯微學 在 (LFM)探測技巧和這個範例之間的側力顯微學映射摩擦力出現。 這個技巧可以 functionalized 與化工強制顯微學的化工種類。 磁力顯微學 使用 LiftMode ( (MFM)圖 5)，磁力顯微學映射磁力梯度和配電器在範例表面上。 
圖 5. AFM (a) 和極端區域的 LiftMode MFM (b) 圖像在用於 (MR)計算機硬盤驅動器的磁阻的讀寫頭。 MFM 圖像顯示不能在 AFM 地勢裡被看見的域結構和傳感器先生。 12μm 掃描。 強制模塊化 強制表面功能的模塊化 (給予專利) 映射相對僵硬。 電力顯微學 使用 LiftMode， (EFM)電力顯微學映射電場梯度和配電器在範例表面上。 表面潛在的想像 表面潛在的想像是除表面地勢之外，做可計量的映射數量少數個 AFM 技術的之一。 使用 LiftMode，它映射這個範例的表面電潛在的配電器。 最近應用包括合金的腐蝕研究。 電化學 SPM 映射地形學變化原地如電化學回應同時導致電化學 SPM 在電解質解決方法上與電化學細胞潛在的控制 (即伏安法)。 可執行與 AFM 或 STM。 瀏覽的電化學潛在的顯微學 瀏覽的電化學潛在的顯微學 (SECPM) (給予專利) 是原地想像或潛在映射電極表面通過評定在電解質解決方法和這個範例浸沒的電位差的探測或極性液體 (圖 6) 之間的電位差。 
圖 6. 瀏覽的電化學潛在的顯微鏡 (SECPM)。 掃描電容顯微學和掃描擴展電阻顯微學 掃描電容顯微學 (SCM)和掃描擴展電阻顯微學 (SSRM)在半導體材料的兩個映射第 2 個承運人 (摻雜物) 含量配置文件。 瀏覽的熱量顯微學 瀏覽的熱量顯微學 (SThM) 映射表面溫度配電器。 挖洞 AFM 和導電性 AFM 挖洞 AFM 和導電性 AFM 評定電導率的薄膜完整性的描述特性和評估的技巧範例當前。 TRmode TRmode 映射側力和強制梯度。 與 TappingMode 的交錯存取補充側向和垂直的描述特性的 (圖 7)。 
圖 7. TRmode 是使用 AFM 探測的扭轉力動擺的技術。 Nanoindenting Nanoindenting 評定機械性能和穿戴特性 (堅硬、黏附力，耐久性) 的薄膜、聚合物、等等 (即電介質， DLC)。 這些技術適用於大多應用程序方面，從生物到半導體，從數據存儲設備到聚合物和從集成光學於強制的評定在微粒和表面之間的。 其他應用包括 MEMS 製造、油漆和塗層、金屬/合金/鍍層、塑料/聚合物、生物材料、生物工藝學，食物和食品包裝，光學/光學影片、光學盤、陶瓷、薄膜、液晶、化妝用品和地質和環境研究。 另外， AFM 系統為高度特定應用已經被開發了，包括處理的半導體片 (圖第 2) 自動化的機器人系統。 他們也開發了與為特定應用設計的分析程序例如 CD 和 DVD 爆沸/坑評定，以及極端數據存儲讀寫頭製造的後退評定。 這些應用繼續擴展。 環境控制 AFM 應用在各種各樣的環境裡被執行。 AFMs 可以被管理在自由流通的空氣，在真空和在液體 (圖 8)。 生物評定在液體經常，特別是，被執行體外。 電化學實驗在液體細胞執行，允許電化學過程的基本縮放比例觀察。 有時，表面清潔研究在一個乾燥手套盒的受控環境裡完成以大氣壓。 
圖 8. 凝聚了脫氧核糖核酸 (脫氧核糖核酸) 建議作為生物工藝學應用的一個基因交付機制。 這裡，被不固定的分子是印象的在鹽水。 20μm 掃描。 最近新產品包括生物和聚合物應用的加熱系統至 250°C (圖 9)，完全與複雜的範例和環境感覺。 系統為控制這個範例的氣體環境現在也是可用的在研究 (圖 10a 和 b) 下。 
圖 9. 連續的階段圖像在 (a) 85ºC 和 (b) 90ºC 的多 (hexacyclodimethyl) 硅氧烷。 熱化導致液體海島的形成在無定形的聚合物 (a) 內的，轉換成一些在另外的熱化 (b) 的小的小點。 10μm 掃描。 
圖 10a。 多重狀態的 SPM 的大氣敞篷允許氣體想像環境的控制變化濕氣或圖像在惰性氣體下。 
圖 10b。 EnviroScope 提供高真空、熱化、電化學細胞潛在的控制和被清除的氣體環境。 最近技術預付款 新的硬件和軟件擴大高端 SPM 系統的實用程序在評定和描述特性之外的包括 nanomanipulation 和 nanolithography。 飛機和外飛機 nanomanipulation 的示例在圖 11a 和 11b 顯示。 點和單擊 nanolithography 的示例在圖 11c 被看到。 
圖 11a。 AFM 飛機 nanomanipulation 使用 AFM 探測對圖像，操作再毫微米縮放比例對象 (碳 nanotubes) 和圖像發現結果。 
圖 11b。 AFM 外飛機 nanomanipulation 使用 AFM 探測對圖像，從這個範例的飛機裡面拉唯一原生質，當再評定這個分子的展開時和圖像發現結果 (在這種情況下，一個分子刪除從列陣)。 
圖 11c。 AFM nanolithography。 新的管理員和電子 (即， NanoScope IV 和 IVa SPMs 管理員) 被設計提高性能相對傳統設計。 某些新發展在 AFM 技術包括： 聯合的環境控制 SPMs 環境控制的聘用組合的最新的生成，包括真空和高溫 (圖 12)。 
圖 12。 多sbs在航空 (a) 的室溫和在 180°C 在 10-5 乇壓 (b)。 圖像獲取與 Enviroscope (圖 10b)。 更高的側向解決方法 AFM 系統現在提供更高的數據密度准許迅速移動到最好的詳細資料，甚而在大掃描。 這提供要求的這個解決方法分析在作為 DVD 碰撞/挖坑和半導體的這樣範例的側壁。 它也允許 nanoscale 詳細資料的觀察和評定在大掃描的 -，不用需要花費重新掃描與一更小的掃描區 (圖 13) 的另外的時間範例。 
圖 13。 TappingMode+ 高度共聚物的圖像和縮放。 這個方形圖像是縮放到在原始長方形圖像的裝箱的區。 此詳細資料通過放大顯示與軟件和沒有對費時，重複性更小的掃描的需要。 沒有此更加高分辨率的掃描，這個迅速移動的圖像不會有要求的像素解決方法查看 nanoscale 詳細資料。 10μm x 1.24μm 掃描和 1μm x 1μm 縮放。 「Q」 - 控制 控制質量因素或者 Q，擺動的 AFM 探測允許強制的更好的控制在技巧和範例之間的并且改進評定區分例如與 PhaseImaging 和 MFM (圖 14)。 
圖 14。 同一區的圖像在磁性帶上的瀏覽有和沒有 Q 控制。 階段檢測 MFM 圖像和探測移相的平均短剖面評定接近說明 4x Q 控制圖像的改進的信號噪音比。 15μm 掃描。 彙總 瀏覽的挖洞顯微學導致了基本格子的嚴重的圖像，并且基本強制顯微學擴展了技術對绝緣的表面。 基本強制顯微鏡的發展允許科學家和工程師發現結構和詳細資料與史無前例的解決方法和沒有需要對嚴謹範例準備。 幾預付款對各種各樣的應用進一步擴大了此技術的實用程序。 TappingMode 允許軟的材料想像，不用對這個範例的故障，并且 LiftMode 允許地勢單獨，但是同時想像和其他參數，例如磁性或電力，不用交互汙染。 PhaseImaging 打開了映射的功能表面作文差異。 新的掃描和評定技術擴展了評定的範圍和為各種各樣的應用進一步因而增加了 AFM 的實用程序。 這些發展採取了 AFM，在一些短的歲月，從實驗室求知慾到其中一表面描述特性的最強大，最靈活和用途廣泛的技術。 |