实现变温扫描的扫描探针显微镜的发展与应用

　　扫描探针显微镜(SPM)是直接观测微观世界的有力武器，,L能以前所未有的分辨率探测物质的表ICI微观结构，确定物体的电、磁、机械等特性而无需使试样受到任何破坏。用SPM可以在亚微米或纳米尺度下观测样品的表ICI形貌，但是除扫描热显微镜(SThM图像外，大多数的SPM图像都是在室温状态下得到的原子结构图像，还不能用来实时一地观察随温度变化时一样品的微观结构变化情况。而一些受温度变化影响较大的动力学过程，例如相变过程、原子的扩散与徙动、以及各种物质在不同温度下的特性的研究，均需要实时获得的不同温度条件下表ICI原子结构图像所提供的有价值的信息。为此，需要研制可以在高温或低温中工作的SPM。目前已有该类产品出现，如德国Omicron公司1996年生产出的变温STM，其可达5 K样品温度的低温STM已应用十氧化物高温超导体单刀，的实验研究。俄罗斯NT一MDT公司也研制出液氮状态下工作的变温STM。日木的H. Shinagawa等也研制了可用十高磁场的变温SPM。这些产品扫描时一均要求样nuu在真空状态。美国Michigar，大学的Michael Di-Battista等研制了一种微结构加热样品台，可以使AFM在由室温到800℃的范围内扫描样品表ICI形貌或检测样品。

　　实现变温扫描的显微镜从控制温度的方式上可以分为两类:一类为控制探针的温度，_另一类为控制样品的温度。下面分别介绍这两类仪器的土作原理、应用情况及存在的问题。

　　1实现变温扫描的显微镜或样品台

　　在第一类中，我们以Digital Instrument*公司的扫描热显微镜为例介绍其土作原理;对第二类，分别以德国lOmicron公司的变温SPM、日木H. Shinagawa的高磁场变温SPM,美国Michael的微结构加热样品台和中国科学院低温技术实验中心研制的可升温样品平台为例，介绍控温样品台的工作原理、变温及控制系统。

　　1. 1扫描热显微镜(SThM)的工作原理

　　IBM的H. Kumar Wickramasinghe与Willam*在20世纪80年代中期合作研制了扫描热显微镜(SThM)，是一种在扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的基础上发展起来的表ICI分析仪器，其探针可以测量出表ICI温度在数纳米尺度上小至万分之一度的变化。探针的中心是一根钨妊，尖端直径大约为30 nm 钨妊上覆有另一种金属—镍，这一镍覆层通过一层绝缘物质与钨妊分隔开，只在探针尖端上镍与钨结合在一起。这一钨一镍结点起到了热电偶的作用，产生一个与其温度成正比的电压。SThM的工作原理如下:首先向探针尖端通以直流电使其加热，当探针散失到空气中的热量等十电流提供的能量时一，尖端的温度就稳定下来，通常比周围环境的温度高几度。加热后的尖端在接近试样表ICI时一，其热量散失速率将增加。这是因为试样是固体，传热性能比空气好得多。十是探针尖端开始冷却，热电偶结上的电压也随之下降，下降的程度即可作为探针尖端i试样表ICI间的间隙大小的量度。这样，当探针对试样表ICI扫描时一，就可以通过热散失的情况了解到表ICI的起伏情况，这与其它几种扫描探针显微镜分别通过隧道电流、原子间斥力或Van der Waals吸弓l力来探查表ICI起伏的方法是类似的。