一文带您了解扫描探针显微镜发展史-致真精密仪器（青岛）有限公司

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一文带您了解扫描探针显微镜发展史

发布时间：

2024-08-20

扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）的发展历史是一段引人注目的科学进步历程，奠定了纳米科学和纳米技术的基础。自20世纪80年代以来，SPM的出现和保存，不仅使科学家能够以原子和分子的精度观察和操控材料，还推动了许多相关领域的研究。以下是SPM发展关键里程碑：

　　1980年代初-扫描隧道显微镜（STM）的发明

　　1981年：德国物理学家格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）在IBM苏黎世研究实验室发明了扫描隧道显微镜（STM）。STM的发明标志着扫描探针显微镜技术的开端。^[1]

宾宁

罗雷尔

世界上第一台扫描隧道显微镜^[2]

　　1986年：宾宁和罗雷尔因发明STM获得诺贝尔物理学奖。他们的工作证明了STM可以以原子级分辨率成像，从而开启了对物质结构的新认识。

　　1989年：IBM科学家展示了一项能够操纵单个原子的技术。他们使用扫描隧道显微镜，将35个单个氙原子排列在镍冷晶体基板上，拼出了公司首字母缩写的三个字母。这是原子首次被精确地定位在平面上。^[3]

用 35 个氙原子拼写出“IBM”

　　1980年代中期-原子力显微镜（AFM）的发展

　　1986年：格尔德·宾宁、卡尔文·夸特纳（Calvin Quate）和克里斯托弗·格贝尔（Christoph Gerber）发明了原子力显微镜（AFM）。AFM可以在非导电材料上工作，扩展了SPM技术的应用范围。[4]AFM利用探针与样品表面之间的范德华力进行成像，可以在真空、空气和液体环境中操作，因此在材料科学和生物学研究中具有广泛的应用。

第一台原子力显微镜

原子力显微镜原理图

　　1990年代-扫描探针显微镜的扩展与多样化

　　1.磁力显微镜（MFM）：磁力显微镜（MFM）在20世纪80年代末至90年代初被发明，通过使用带有磁性涂层的探针，测量探针与样品表面磁力相互作用，实现了纳米尺度高分辨率磁畴成像。这一创新使研究人员能够深入了解材料的磁性特性。

低温强磁场磁力显微镜在微结构缺陷中的研究

　　2.静电力显微镜（EFM）：静电力显微镜（EFM）由斯蒂芬·库尔普斯（Stephen Kalb）和霍斯特·福尔默（Horst F.Hamann）在20世纪80年代末至90年代初发明，通过带电探针测量静电力变化，实现纳米尺度高分辨率电学成像。EFM被广泛应用于研究半导体材料、电荷存储器件和纳米电子学等领域。

　　3.近场扫描光学显微镜（NSOM或SNOM）：近场光学显微镜（NSOM）由埃里克·贝茨格（Eric Betzig）和约翰·特劳特曼（John Trautman）在20世纪80年代末至90年代初发明。NSOM使用带有亚波长孔径的光纤探针，通过限制光在极小区域内并扫描样品表面，获取高分辨率的光学图像，广泛应用于材料科学、生物学、化学和半导体研究等领域。

NSOM的一般原理

　　2000年代至今-SPM技术的进一步发展和应用

　　1.高分辨率和高灵敏度：随着探针技术、控制系统和数据处理技术的发展，SPM的分辨率和灵敏度不断提高。

　　2.多功能化探针：开发出具有特定化学、机械、磁性或力学性质的探针，使得SPM可以进行更为多样化的表征和操作。

　　3.多模式成像：结合多种成像模式，可以同时获得样品的多种性质信息。

结合多种模式的扫描探针显微镜

　　4.晶圆级成像：随着集成电路规模的急剧增加，需要对大型样品成像。

加工在晶圆上的芯片

　　5.在生物学中的应用：SPM在生物分子和细胞研究中的应用越来越广泛，可以直接观测生物大分子的结构和动力学过程。

　　未来展望

　　扫描探针显微镜的技术仍在不断发展，新的技术和应用不断涌现。由致真精密仪器研发的多功能原子力显微镜和晶圆级原子力显微镜支持大尺寸样品的表征，并集成集成磁力、压电力、扫描开尔文以及液相等多物性分析功能，具有极低的噪声水平，并具备基于深度学习的智能化数据处理分析。致真精密仪器未来将继续致力于更高分辨率、更快的成像速度和更强的多功能化的SPM设备研究，以满足科学研究和工业应用的需求。