扫描探针显微镜如何读取表面原子结构？

扫描探针显微镜（SPM）不依赖透镜成像。它把一根极尖的探针放到样品表面附近，让探针在表面逐点扫描，并记录隧穿电流、原子间力、频率偏移、电势、磁信号或局部电导等响应。每一个像素都来自探针和表面之间的局域相互作用。

SPM 的空间分辨率来自探针尖端与表面之间极短程的相互作用。当信号只在几埃到几纳米范围内迅速衰减时，表面原子、分子、缺陷、台阶和吸附物会在扫描图像中转化为高度、相位、电流或力信号的差异。

图1｜扫描探针显微镜通过探针—表面相互作用逐点生成空间图像。

探针尖端是 SPM 的核心结构。理想情况下，真正参与成像的只有尖端最前端几个原子。尖端越尖，局域相互作用越集中，横向分辨率越高；尖端越钝，多个表面位置会同时贡献信号，图像边缘容易展宽。

扫描过程中，压电陶瓷控制探针在 x、y 方向移动，并在 z 方向调节高度。反馈回路不断比较实际信号和设定信号，再调整探针—样品距离。反馈信号控制探针高度，扫描轨迹记录表面空间变化。

SPM 图像包含探针形状的卷积效应。表面凸起会让钝探针提前接触或提前产生强信号，颗粒宽度常出现放大。定量分析纳米颗粒、孔洞和台阶时，需要考虑尖端半径和扫描参数。

稳定环境同样重要。热漂移会让图像缓慢拉伸，机械振动会引入条纹，压电非线性会改变尺度。原子分辨图像通常需要低噪声平台、稳定温度、干净表面和合适扫描速度共同配合。

扫描隧道显微镜（STM）适合导电或半导体样品。金属探针与样品之间保持极小间隙，并施加偏压。电子可以通过量子隧穿从一侧进入另一侧，形成隧穿电流。隧穿电流对距离极其敏感，探针移动 1 Å 左右，电流就可能发生数量级变化。

STM 图像同时反映表面几何高度和局域电子态密度。在恒电流模式中，反馈系统调节探针高度，使电流保持恒定；记录下来的高度变化既包含真实表面起伏，也包含电子态分布差异。

图2｜STM 利用隧穿电流读取导电表面的原子结构和局域电子态。

扫描隧道谱（STS）进一步改变偏压，记录电流—电压关系或 dI/dV 信号。dI/dV 常与局域态密度相关，可以显示带隙、表面态、缺陷态和分子轨道。STM 读表面原子排列，STS 读局域电子结构。

STM 对样品导电性和表面洁净度要求很高。绝缘样品难以维持稳定隧穿电流；吸附污染、氧化层和移动分子会改变局域态密度。超高真空、低温和原位制样常用于提高数据可靠性。

原子力显微镜（AFM）记录探针和样品之间的力。探针安装在微悬臂上，表面作用力会让悬臂弯曲、振幅变化或共振频率变化。AFM 可以研究绝缘体、聚合物、生物材料、氧化物和液体环境中的样品。

AFM 的关键读数来自短程排斥力、范德华力、毛细力、电静力和化学键合力的综合响应。接触模式更敏感于表面形貌和摩擦，轻敲模式能降低剪切损伤，非接触模式适合高分辨力谱和弱相互作用探测。

图3｜AFM 通过悬臂弯曲、振幅或频率变化读取表面形貌和局部力学响应。

高分辨 AFM 中，功能化探针可以增强特定相互作用。例如 CO 分子修饰探针常用于分子内键级成像，导电探针可用于电流映射，磁性探针可用于磁畴成像。探针功能化会把普通形貌图扩展成力学、电学或磁学图。

AFM 高度图不总等同于真实几何高度。软样品会产生形变，液体环境中会出现水化层和毛细作用，粘附力会改变探针运动。分析聚合物、生物膜和凝胶时，载荷、速度和探针刚度需要一起报告。

SPM 不只生成形貌图，还可以在每个位置测量局域谱学响应。力—距离曲线能给出粘附力、弹性模量和表面能；电流—电压曲线能给出局域导电性；开尔文探针力显微镜可测表面电势；压电响应显微镜可测铁电畴和局域极化翻转。

谱学模式把空间分辨率和局域物性联系起来。同一张样品表面可以同时获得高度、相位、模量、电势、电流或磁响应图。材料中的晶界、相界、缺陷、颗粒边缘和吸附位点因此可以和局域功能直接对应。

图4｜扫描探针谱学可在同一位置记录形貌、力学、电学和磁学响应。

形貌图定位结构，谱学图给出局域性质。在催化材料中，电势和电流分布可以指示活性区域；在铁电材料中，相位和振幅图可以显示畴结构；在半导体中，局域电导和表面势能揭示缺陷与载流子分布。

多模式信号之间可能互相耦合。电学测量会受到形貌起伏影响，力学信号会受到粘附和水膜影响，磁信号会受到探针磁化状态影响。可靠结论需要控制载荷、偏压、湿度和探针状态。

SPM 还能主动改变表面。探针可以移动单个原子或分子，也可以局部施加电场、力、热或电流。纳米刻写、分子操控、局域氧化、相变诱导和单键断裂都可以通过探针完成。

SPM 的特殊之处在于同一根探针既能成像，也能施加局域扰动。先扫描确定位置，再改变电压、载荷或停留时间，随后再次成像，就能观察局部结构如何响应外场。

图5｜扫描探针显微镜可以在成像基础上进行局域操控、刻写和响应测试。

原位 SPM 常用于液体、电化学、气氛和温度变化条件。电化学 STM/AFM 可以跟踪电极表面重构、吸附层形成、腐蚀和沉积过程；液体 AFM 可以观察软材料和生物分子动态。原位 SPM 把表面结构变化和外部条件直接连接起来。

探针也可能扰动样品本身。高载荷会刮伤软表面，高偏压会诱导电化学反应，长时间扫描会移动吸附物。原位实验需要区分真实材料演化和探针引入的局部扰动。

扫描探针显微镜通过尖端和表面的短程相互作用生成图像。STM 依靠隧穿电流读取导电表面的原子结构和电子态；AFM 依靠原子间力读取绝缘体、软物质和液体环境中的形貌与力学响应；谱学和原位模式进一步把结构与局域性质联系起来。

SPM 的核心能力是把表面原子结构、局域电子态、力学响应和外场操控压缩到同一个探针—样品坐标中。理解 SPM 图像时，需要同时看探针状态、反馈模式、信号来源和样品环境。

文章信息：标题：Scanning probe microscopy；DOI：10.1038/s43586-021-00033-2