扫描隧道与扫描力显微镜分析原理 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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姚琲 编

图书标签:

• 扫描隧道显微镜
• 扫描力显微镜
• 表面分析
• 纳米技术
• 材料科学
• 物理学
• 显微学
• 微纳尺度
• 表面物理
• 仪器分析

出版社： 天津大学出版社

ISBN：9787561829653

版次：1

商品编码：10718581

包装：平装

丛书名： 天津大学“211工程”丛书

开本：16开

出版时间：2009-03-01

用纸：胶版纸

页数：104

字数：162000

正文语种：中文

内容简介

　　 《扫描隧道与扫描力显微镜分析原理》介绍了：各种扫描探针显微镜的工作原理和工作模式，用量子力学微扰理论阐明了电子隧道和纳米间距的针尖-样品的相互作用的起源，简单介绍了密度泛函原理和分子动力学方法对针尖-样品相互作用的动态模拟方法，奠定了开展扫描探针微纳测试与加工技术研究的理论与实验基础。《扫描隧道与扫描力显微镜分析原理》适合于从事扫描探针及扫描力显微镜微纳测试与加工技术研究的科技工作者参考，也可作为材料、物理、机械等相关专业研究生的选修教材。

内页插图

目录

第1章 扫描探针及扫描力显微镜简介
1.1 扫描隧道显微镜
1.2 原子力显微镜
1.3 磁力显微镜
1.4 横向力显微镜
1.5 其他SPM技术
1.6 SPM表面分析的手段
1.7 SPM工作环境

第2章 STM和SFM的统一微扰理论
2.1 统一微扰理论的产生原因
2.2 改进的Bardeen近似法
参考文献

第3章 针尖-样品相互作用理论
3.1 针尖-样品相互作用
3.2 长程力（范德瓦尔斯力）
3.3 相互作用能（黏结能）
3.4 短程力
3.5 形变
3.6 原子传输
3.7 由针尖引发的电子结构变化
3.8 挤压效应
3.9 隧穿向弹道传输的转变
参考文献

第4章 针尖-样品相互作用的分子动力学模拟
4.1 算法
4.2 研究特例
参考文献

第5章 弹性介质接触式扫描力显微技术
5.1 层状材料的连续弹性体理论
5.2 SIW和弹性介质间的相互作用
5.3 局域抗弯刚度
参考文献

第6章 原子尺度的摩擦理论
6.1 摩擦力的微观起源
6.2 理想化的摩擦力学
6.3 摩擦力的模拟计算
6.4 扫描力显微镜无损针尖-基底相互作用的限制
参考文献

第7章 非接触力显微技术理论
7.1 分析方法简介
7.2 范德瓦尔斯力
7.3 离子力
7.4 少量分子的挤压：溶解力
7.5 毛细力
7.6 结论
参考文献

精彩书摘

第2章 STM和SFM的统一微扰理论
本章讨论适用于STM和SFM的统一微扰理论。为了搞清楚在成像过程中针尖的电子态、针尖一样品间相互作用的影响，解释所观察到的图像，微扰理论提供了简单明了的方法。微扰理论阐明了针尖和样品的性质、实验方法和实验条件对像的决定性作用，从而揭示出图像所反映的内涵。计算机数值计算技术可以实现自由针尖、自由样品的电子结构在不同条件下的模拟和对比，微扰理论则可对STM和AFM的图像进行预测。总的来说，将不同的理论和实验概括到一个统一的领域中，较好的方法是通过合适的微扰处理。本章介绍的微扰理论将隧道现象和吸引型原子力自然地联系到一起，故称为统一微扰理论。
2.1 统一微扰理论的产生原因
2.1.1 实验简介
自从Binnig和Rohrer于1981年发明STM以来，已经积累了大量的实验资料。下面列举出STM理论所必须解释的一些实验现象。
原子分辨率：STM可区分出各种各样的金属、半导体和层状材料表面的最近临原子和单个原子周围的详细情况。例如，最近临原子间距为2.2～3.8 A的半导体表面，原子间距为2.5～2.9 A的低密勒指数的金属表面以及原子间距为1.5～3.5 A的层状材料。
……

前言/序言

　　材料研究不断对具有更高空间分辨力和灵敏度的分析技术提出新的需求，近年来以原子尺度对材料性质进行成像、测量和加工的研究工作不断地深入，同时促进了扫描隧道显微术STM和与其相关的扫描探针显微术SPM及扫描力显微术SFM的显著发展。由于所有SPM采用的近场扫描成像方式的特殊性，各种测试结果的正确分析显得尤为重要。
　　本书第1章简单介绍了各种扫描探针显微镜的工作原理和工作模式。第2章根据量子力学的微扰理论论述了电子隧道和纳米间距的针尖.样品相互作用的起源。第3章阐明了各种物理量随针尖.样品间距的变化和不同间距下针尖与样品相互作用的特点与结果。第4、5、6章建立了针尖和样品的多粒子体系模型，采用分子动力学和密度泛函方法模拟粒子分布随针尖一样品间隙变化的过程，讨论了材料的黏结性、表面张力，接触形变、表面形变，材料弹性、塑性响应特性，材料硬度、微米和纳米凹陷，摩擦力、润滑和剪切、断裂以及原子尺度的探针对材料表面的修改和加工等基础和应用问题。第7章讨论在非接触扫描力显微技术中涉及来自远程针尖一样品相互作用的范德瓦尔斯力，针尖.样品间隙申存在液体时的离子型的双层力，当针尖和样品非常接近时，间隙中液体的不连续结构导致的溶解（极化的）力和液体在表面以吸附薄膜形式存在的毛细作用力，阐明了这些作用力的典型幅度、作用范围和复杂的交互作用。

精微世界的探索者：纳米技术革命的基石 在科学探索的宏伟画卷中，总有一些领域，它们以其独特的视角和颠覆性的能力，为我们打开了通往未知世界的大门。当我们凝视肉眼无法触及的微观粒子，当我们渴望理解物质最深层的结构和性质时，一系列革命性的技术应运而生，它们不仅重塑了我们对世界的认知，更引领了新一轮的科技浪潮。本书正是聚焦于这两项划时代的仪器——扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），它们如同拥有“超级视力”的探针，带领我们深入纳米尺度，揭示物质的精细构造和相互作用，为诸多前沿科学和技术的发展奠定了坚实的基础。 超越极限的洞察：扫描隧道显微镜（STM）的原理与应用 扫描隧道显微镜，一项诞生于上世纪八十年代初的突破性发明，以其前所未有的分辨率，将人类对物质表面的观察能力提升到了原子级别。它的核心原理，基于量子力学中的“隧道效应”。想象一下，当一个极细的金属探针被极其小心地移动到样品表面附近，但又不直接接触时，若施加一定的电压，电子就有可能“穿过”探针与样品之间本应存在的绝缘间隙。这种电子的“穿隧”行为，产生的电流强度对探针与样品间的距离极其敏感，通常随着距离的增加呈指数级衰减。STM正是巧妙地利用了这一物理现象：通过精确控制探针的移动，保持隧道电流恒定，从而在扫描过程中记录下探针与样品表面之间的三维地形图。这幅地形图，便是我们眼前物质表面的原子级分辨率图像。 STM的强大之处不仅在于其极高的空间分辨率，还在于其对样品表面的“非破坏性”探测能力。与传统的显微镜需要样品散射或透射光线不同，STM直接探测电子隧道效应，因此对于许多材料，特别是导电或半导电材料，能够提供前所未有的精细结构信息。它揭示了金属表面原子排列的规律，观察到了半导体表面电子态的分布，甚至能够“看清”单个分子的构型。 STM的应用范围极其广泛，几乎触及了所有与物质表面相关的领域。在材料科学中，STM帮助科学家们理解表面生长机制，设计新型纳米材料，研究催化剂的活性位点。在凝聚态物理中，STM是探索二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）表面电子行为的利器，为理解和调控量子现象提供了直接的观测手段。在化学领域，STM可以用于研究表面化学反应的微观过程，监测分子吸附和脱附，甚至实现对单个原子的操纵，开启了“原子制造”的新篇章。在生物学领域，虽然STM主要适用于导电样品，但经过适当的样品处理，它也能用于观察生物分子（如DNA、蛋白质）的结构，为理解生物过程的分子机制提供线索。 触及万物：原子力显微镜（AFM）的精细探测 与STM需要导电样品不同，原子力显微镜（AFM）则将探测范围扩展到了几乎所有类型的材料，包括绝缘体。AFM的核心在于利用探针与样品表面原子间的范德兰作用力（如范德华力、静电力、磁力等）。它同样拥有一根极其微小的探针，通常固定在一个弹性悬臂梁的一端。当探针扫描样品表面时，探针与样品原子之间的吸引力或斥力会导致悬臂梁发生微小的形变。AFM通过高灵敏度的光学系统（如激光反射和光电二极管）来精确测量悬臂梁的形变，并将其转化为样品表面的地形信息。 AFM的工作模式多种多样，最常见的包括接触模式、非接触模式和 the tapping（敲击）模式。在接触模式下，探针始终与样品表面保持接触，通过测量探针受到的力反馈来获得表面形貌。这种模式分辨率高，但可能对软样品造成损伤。非接触模式则通过测量探针与样品之间的吸引力来成像，避免了物理接触，但分辨率可能略有下降。The tapping模式则是一种折衷方案，探针以一定的频率振动并周期性地接触样品表面，在每次接触时测量探针受到的力，从而在保证较高分辨率的同时，大大减少了对样品的损伤，特别适用于研究易损的生物样品。 AFM的优势在于其普适性，几乎可以对任何固体样品进行表面成像，无论其导电性如何。它不仅能够提供纳米级的形貌信息，还可以通过测量探针与样品表面不同区域的相互作用力，获取表面化学成分、硬度、摩擦力、磁性等多样化的信息。这种多功能性使得AFM成为许多研究领域的强大工具。 在生物学和医学领域，AFM已成为研究细胞、病毒、DNA、蛋白质等生物大分子结构和相互作用的有力助手。它能够以前所未有的清晰度观察细胞膜的动态变化，研究病毒与宿主细胞的相互作用，甚至能够“拉伸”单个蛋白质分子，探测其力学性质和构象转变。在材料科学领域，AFM可以用于表征薄膜的粗糙度、研究聚合物的形貌、分析纳米颗粒的尺寸和分布。在半导体工业中，AFM被用于检测晶圆表面的缺陷，控制微电子器件的制造过程。在化工领域，AFM可以用于研究催化剂表面的结构和活性，优化化学反应过程。 纳米时代的双子星：STM与AFM的互补与发展 扫描隧道显微镜和原子力显微镜，虽然在基本原理上有所不同，但它们共同代表了人类探索微观世界能力的飞跃。STM以其原子级别的分辨率，揭示了导电材料表面的电子世界；AFM则以其普适性和多功能性，将探测范围延伸至所有材料，并能获取更多的表面性质信息。这两项技术并非相互排斥，而是在许多研究中可以形成有效的互补。例如，可以先用AFM对样品进行大范围的形貌扫描，然后将感兴趣的区域切换到STM模式下进行高分辨率的电子结构分析。 随着技术的不断进步，STM和AFM的功能也在持续拓展。如今，它们已经发展出许多高级版本，例如，可以集成光谱学功能的STM/AFM，可以实现三维成像的原子力显微镜，以及可以在液体环境下工作的显微镜。这些改进使得科学家们能够在更接近真实的工作环境中，以更高的精度和更丰富的信息来研究微观世界。 总而言之，扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，是人类科学史上的里程碑。它们不仅是精密科学仪器的杰出代表，更是驱动纳米科学、材料科学、生命科学等众多领域发展的核心技术。它们让我们得以“看见”原子，理解分子，揭示物质在最微观尺度下的奥秘。这些精微世界的探索者，正在不断推动着人类科技的边界，为创造更美好的未来贡献着不可或缺的力量。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对科学史和技术发展史比较感兴趣的业余读者，在一次逛书店时，《扫描隧道与扫描力显微镜分析原理》这本书的标题引起了我的注意。我一直对人类如何能够“看见”越来越小的东西感到好奇，所以这本书对我来说，更像是一部关于探索微观世界的“技术史”。我并没有去深入研究书中的具体公式和推导，而是更多地关注书中所呈现的科学思想的演变和技术突破的历程。书中在介绍STM时，详细讲述了它发明者的故事，以及量子力学的发展如何为这一突破奠定了基础，让我对科学的创新有了更深的理解。在介绍AFM时，我看到了它如何从STM的局限性中发展而来，以及它如何通过探测更广泛的相互作用力，极大地拓展了显微成像的应用范围。书中也提到了许多早期的经典实验和重要的科学发现，这些都让我感受到科学研究的魅力和人类探索未知的不懈努力。虽然我不是这个领域的专业人士，但我仍然能够从书中感受到这两种显微镜技术所代表的科学进步的力量，它们改变了我们认识世界的方式。

评分☆☆☆☆☆

这本书是我在上一份工作中，负责采购一批高精密科研设备时，需要对市场上的主流显微镜技术进行评估时找到的。当时我对扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的了解仅停留在概念层面，这本书的出现，为我提供了一个全面了解这些设备性能和技术优势的窗口。书中对于STM和AFM的技术原理，例如扫描隧道效应、原子力相互作用的物理基础，都有着清晰的阐述，让我能够理解这些设备是如何实现纳米级别的分辨率的。更重要的是，书中详细介绍了这两种显微镜在不同领域的应用案例，包括半导体、纳米材料、生物化学等，并且对每种应用场景下的设备选择、操作要点以及数据解读进行了分析。这对我评估不同供应商提供的设备，理解它们的技术参数和实际性能，以及预测设备在实际应用中可能遇到的问题，提供了非常宝贵的参考依据。我尤其欣赏书中关于如何根据样品特性和研究目的，来选择最适合的显微镜类型和工作模式的指导性内容，这对于我这样需要做出技术决策的人来说，非常有价值。

评分☆☆☆☆☆

我是在准备申请一个跟表面科学相关的研究生项目时，被老师推荐阅读这本《扫描隧道与扫描力显微镜分析原理》。坦白说，初次接触这本书，我有些担心它过于理论化，会让我觉得枯燥。然而，在阅读过程中，我惊喜地发现，这本书在讲解复杂的科学原理时，非常注重结合实际的应用和案例，使得原本抽象的概念变得生动易懂。例如，在介绍STM如何“看”到单个原子时，书中用形象的比喻解释了电子隧道效应，并配以清晰的示意图，让我一下子就理解了它的工作机制。对于AFM，书中不仅解释了探针是如何“触碰”表面，还详细介绍了不同类型的探针（如尖锐的硅探针、氮化硅探针）以及它们各自的特点和适用范围，这让我对实验操作有了更直观的认识。书中还列举了许多不同领域的研究实例，比如在生物领域，AFM被用来观察DNA的结构，在材料科学领域，AFM被用来测量薄膜的厚度。这些鲜活的例子，让我看到了这些精密仪器在解决实际科学问题中的巨大潜力，也极大地激发了我对这一研究方向的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期在纳米技术领域工作的研究者，我对各种精密测量仪器有着天然的兴趣。偶然的机会接触到《扫描隧道与扫描力显微镜分析原理》这本书，我首先被它严谨的学术风格所吸引。书中对于STM和AFM的物理基础，例如电子隧穿、表面电子态、探针-样品相互作用力的理论模型，都进行了非常深入的探讨，引用了大量经典的研究成果和公式推导，这对于我这样需要深入理解仪器背后物理原理的研究人员来说，无疑是一笔宝贵的财富。书中对这两种显微镜的构造、工作流程、以及关键参数的设置和优化，都有细致入微的分析。特别是关于如何处理和解读显微镜得到的原始数据，以及如何通过这些数据来反推出样品的微观结构和物性，书中提供了一套系统性的方法论。书中还涉及了一些更高级的分析技术，例如利用AFM进行力谱分析，可以研究材料的机械性能；或者结合光谱技术，实现纳米尺度的化学成分分析。总的来说，这本书的学术深度和广度都相当可观，适合对这两种显微镜有深入研究需求的专业人士。

评分☆☆☆☆☆

这本书我是在准备一个关于材料表面研究的课程时偶然发现的，当时对扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的基本原理还处于比较模糊的认知阶段，这本书的名字正好切中了我当时的学习需求。拿到手后，我迫不及待地翻阅起来。整体来说，这本书在对这两种显微镜的成像原理、探测机制以及在实际应用中的基本操作流程上，都做了详尽的介绍。比如，在讲述STM时，它详细解释了量子隧道效应是如何被利用来探测样品表面的电子态密度，并给出了不同的扫描模式，如恒高模式和恒流模式，以及它们各自的优缺点和适用场景。对于AFM，书中则深入剖析了探针与样品表面之间的范德华力、静电力、磁力等相互作用力，并详细阐述了接触模式、非接触模式和 the tapping mode (轻敲模式) 的工作原理和区别，以及如何根据样品特性选择合适的探测模式。此外，书中还穿插了一些实际的实验案例，通过图文并茂的方式展示了如何利用这些显微镜来研究不同材料的表面形貌、粗糙度、晶体结构甚至分子排列，这对我理解抽象的理论概念非常有帮助。

评分☆☆☆☆☆

《[SM]》，书拿到手挺有分量的，包装完好。还会继续来，一直就想买这本书，太谢谢京东了，发货神速，两天就到了，超给力的！5分！了解京东：2013年3月30日晚间，京东商城正式将原域名360buy更换为jd，并同步推出名为“joy”的吉祥物形象，其首页也进行了一定程度改版。此外，用户在输入jingdong域名后，网页也自动跳转至jd。对于更换域名，京东方面表示，相对于原域名360buy，新切换的域名jd更符合中国用户语言习惯，简洁明了，使全球消费者都可以方便快捷地访问京东。同时，作为“京东”二字的拼音首字母拼写，jd也更易于和京东品牌产生联想，有利于京东品牌形象的传播和提升。京东在进步，京东越做越大。我很喜欢读书，特别是：[ZZ]的《[SM]》：很值得看，看了收益很大，书的内容直得一读[BJTJ]，阅读了一下，写得很好，[NRJJ]，内容也很丰富。[QY]，一本书多读几次，[SZ]。 快递送货也很快。还送货上楼。非常好。 [SM]，超值。买书就要来京东商城。

评分☆☆☆☆☆

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简单，科普性质的，可以看看

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还不错

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印刷的很好，全新的书。这么冷门的书居然都有的卖……