解密真空探針臺的工作原理

真空探針臺是一種用于研究和測量材料表面性質(zhì)的儀器，主要通過掃描探針與樣品的相互作用來獲取相關(guān)信息。其工作原理可以分為掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）兩個方面。

掃描隧道顯微鏡（STM）是在20世紀(jì)80年代初由Ernst Ruska和Gerd Binnig等人研究的一種表面分析儀器。它利用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)測量樣品表面的形貌和電子性質(zhì)。STM的工作原理基于物質(zhì)的電子在真空中通過一條極細(xì)的隧道逸出的現(xiàn)象。具體來說，STM將一根極細(xì)的掃描探針（一般為鎢或鉑銥合金制成）接近樣品表面，并通過控制探針與樣品之間的距離，在幾個埃（?）的尺度范圍內(nèi)進(jìn)行定量的準(zhǔn)確探測。

隧道效應(yīng)是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，指的是電子在壘高勢壘（barrier）處穿透的概率，并與另一端的區(qū)域耦合。在STM中，由于探針與樣品之間存在一個納米級的間隙，當(dāng)給探針和樣品加上一定的電壓差時(shí)，電子經(jīng)過隧道效應(yīng)可以從樣品中隧道到探針中并形成隧道電流。根據(jù)量子力學(xué)原理，當(dāng)探針在樣品表面移動時(shí)，隧道電流的強(qiáng)度和樣品表面原子的排列形成有關(guān)。

STM測量過程中，系統(tǒng)會通過控制電壓差的大小來調(diào)整隧道電流的強(qiáng)度，以保持它的穩(wěn)定。當(dāng)探針在樣品表面移動時(shí)，可通過測量隧道電流的變化來重建樣品表面的拓?fù)湫螒B(tài)，并得到原子級的分辨率。此外，STM還能夠通過改變樣品或探針的電勢來研究樣品表面的局域化電子性質(zhì)，例如局域化態(tài)和表面態(tài)等。

原子力顯微鏡（AFM）也是一種常用的真空探針臺技術(shù)，它利用探針與樣品間的相互作用力來測量樣品表面的形貌和力學(xué)性質(zhì)。與STM相比，AFM不依賴于電流流動，而是通過測量探針與樣品之間的相互作用力（主要是引力、斥力和吸附力等）來獲取表面信息。

AFM的工作原理是將一根極細(xì)的彈性探針（一般為硅制成）靠近樣品表面，并通過探針與樣品之間的相互作用力來感知樣品表面的細(xì)節(jié)信息。探針通過一個彈簧系統(tǒng)與探針架相連接，探頭位于彈簧的一端。當(dāng)探頭與樣品表面相互接觸時(shí)，探針的受力會導(dǎo)致彈簧產(chǎn)生微小的彎曲變形，從而使探針的位置發(fā)生變化。這種位置變化可通過光學(xué)或力學(xué)傳感器進(jìn)行測量。

根據(jù)探針位置的變化，可以推斷出探頭所受到的相互作用力的大小。通過改變探針的位置，可以掃描整個樣品表面，并獲得樣品表面的形貌圖像。此外，AFM還能夠測量樣品表面的力學(xué)性質(zhì)，例如彈性模量、硬度和粘附力等，這使得AFM在材料科學(xué)、納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

綜上所述，真空探針臺是一種通過掃描探針與樣品的相互作用來獲取樣品表面信息的儀器。其中，掃描隧道顯微鏡利用隧道效應(yīng)測量樣品表面的形貌和電子性質(zhì)，而原子力顯微鏡則通過測量探針與樣品的相互作用力來獲取表面形貌和力學(xué)性質(zhì)。這兩種工作原理的結(jié)合使得真空探針臺在納米尺度下能夠提供高分辨率的表面顯微鏡成像，為材料科學(xué)和納米技術(shù)的研究開辟了新的道路。