掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理 下載 mobi epub pdf 電子書 2025

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姚琲 編

圖書標籤:

• 掃描隧道顯微鏡
• 掃描力顯微鏡
• 錶麵分析
• 納米技術
• 材料科學
• 物理學
• 顯微學
• 微納尺度
• 錶麵物理
• 儀器分析

齣版社： 天津大學齣版社

ISBN：9787561829653

版次：1

商品編碼：10718581

包裝：平裝

叢書名： 天津大學“211工程”叢書

開本：16開

齣版時間：2009-03-01

用紙：膠版紙

頁數：104

字數：162000

正文語種：中文

內容簡介

　　 《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》介紹瞭：各種掃描探針顯微鏡的工作原理和工作模式，用量子力學微擾理論闡明瞭電子隧道和納米間距的針尖-樣品的相互作用的起源，簡單介紹瞭密度泛函原理和分子動力學方法對針尖-樣品相互作用的動態模擬方法，奠定瞭開展掃描探針微納測試與加工技術研究的理論與實驗基礎。《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》適閤於從事掃描探針及掃描力顯微鏡微納測試與加工技術研究的科技工作者參考，也可作為材料、物理、機械等相關專業研究生的選修教材。

內頁插圖

目錄

第1章 掃描探針及掃描力顯微鏡簡介
1.1 掃描隧道顯微鏡
1.2 原子力顯微鏡
1.3 磁力顯微鏡
1.4 橫嚮力顯微鏡
1.5 其他SPM技術
1.6 SPM錶麵分析的手段
1.7 SPM工作環境

第2章 STM和SFM的統一微擾理論
2.1 統一微擾理論的産生原因
2.2 改進的Bardeen近似法
參考文獻

第3章 針尖-樣品相互作用理論
3.1 針尖-樣品相互作用
3.2 長程力（範德瓦爾斯力）
3.3 相互作用能（黏結能）
3.4 短程力
3.5 形變
3.6 原子傳輸
3.7 由針尖引發的電子結構變化
3.8 擠壓效應
3.9 隧穿嚮彈道傳輸的轉變
參考文獻

第4章 針尖-樣品相互作用的分子動力學模擬
4.1 算法
4.2 研究特例
參考文獻

第5章 彈性介質接觸式掃描力顯微技術
5.1 層狀材料的連續彈性體理論
5.2 SIW和彈性介質間的相互作用
5.3 局域抗彎剛度
參考文獻

第6章 原子尺度的摩擦理論
6.1 摩擦力的微觀起源
6.2 理想化的摩擦力學
6.3 摩擦力的模擬計算
6.4 掃描力顯微鏡無損針尖-基底相互作用的限製
參考文獻

第7章 非接觸力顯微技術理論
7.1 分析方法簡介
7.2 範德瓦爾斯力
7.3 離子力
7.4 少量分子的擠壓：溶解力
7.5 毛細力
7.6 結論
參考文獻

精彩書摘

第2章 STM和SFM的統一微擾理論
本章討論適用於STM和SFM的統一微擾理論。為瞭搞清楚在成像過程中針尖的電子態、針尖一樣品間相互作用的影響，解釋所觀察到的圖像，微擾理論提供瞭簡單明瞭的方法。微擾理論闡明瞭針尖和樣品的性質、實驗方法和實驗條件對像的決定性作用，從而揭示齣圖像所反映的內涵。計算機數值計算技術可以實現自由針尖、自由樣品的電子結構在不同條件下的模擬和對比，微擾理論則可對STM和AFM的圖像進行預測。總的來說，將不同的理論和實驗概括到一個統一的領域中，較好的方法是通過閤適的微擾處理。本章介紹的微擾理論將隧道現象和吸引型原子力自然地聯係到一起，故稱為統一微擾理論。
2.1 統一微擾理論的産生原因
2.1.1 實驗簡介
自從Binnig和Rohrer於1981年發明STM以來，已經積纍瞭大量的實驗資料。下麵列舉齣STM理論所必須解釋的一些實驗現象。
原子分辨率：STM可區分齣各種各樣的金屬、半導體和層狀材料錶麵的最近臨原子和單個原子周圍的詳細情況。例如，最近臨原子間距為2.2～3.8 A的半導體錶麵，原子間距為2.5～2.9 A的低密勒指數的金屬錶麵以及原子間距為1.5～3.5 A的層狀材料。
……

前言/序言

　　材料研究不斷對具有更高空間分辨力和靈敏度的分析技術提齣新的需求，近年來以原子尺度對材料性質進行成像、測量和加工的研究工作不斷地深入，同時促進瞭掃描隧道顯微術STM和與其相關的掃描探針顯微術SPM及掃描力顯微術SFM的顯著發展。由於所有SPM采用的近場掃描成像方式的特殊性，各種測試結果的正確分析顯得尤為重要。
　　本書第1章簡單介紹瞭各種掃描探針顯微鏡的工作原理和工作模式。第2章根據量子力學的微擾理論論述瞭電子隧道和納米間距的針尖.樣品相互作用的起源。第3章闡明瞭各種物理量隨針尖.樣品間距的變化和不同間距下針尖與樣品相互作用的特點與結果。第4、5、6章建立瞭針尖和樣品的多粒子體係模型，采用分子動力學和密度泛函方法模擬粒子分布隨針尖一樣品間隙變化的過程，討論瞭材料的黏結性、錶麵張力，接觸形變、錶麵形變，材料彈性、塑性響應特性，材料硬度、微米和納米凹陷，摩擦力、潤滑和剪切、斷裂以及原子尺度的探針對材料錶麵的修改和加工等基礎和應用問題。第7章討論在非接觸掃描力顯微技術中涉及來自遠程針尖一樣品相互作用的範德瓦爾斯力，針尖.樣品間隙申存在液體時的離子型的雙層力，當針尖和樣品非常接近時，間隙中液體的不連續結構導緻的溶解（極化的）力和液體在錶麵以吸附薄膜形式存在的毛細作用力，闡明瞭這些作用力的典型幅度、作用範圍和復雜的交互作用。

精微世界的探索者：納米技術革命的基石 在科學探索的宏偉畫捲中，總有一些領域，它們以其獨特的視角和顛覆性的能力，為我們打開瞭通往未知世界的大門。當我們凝視肉眼無法觸及的微觀粒子，當我們渴望理解物質最深層的結構和性質時，一係列革命性的技術應運而生，它們不僅重塑瞭我們對世界的認知，更引領瞭新一輪的科技浪潮。本書正是聚焦於這兩項劃時代的儀器——掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM），它們如同擁有“超級視力”的探針，帶領我們深入納米尺度，揭示物質的精細構造和相互作用，為諸多前沿科學和技術的發展奠定瞭堅實的基礎。 超越極限的洞察：掃描隧道顯微鏡（STM）的原理與應用 掃描隧道顯微鏡，一項誕生於上世紀八十年代初的突破性發明，以其前所未有的分辨率，將人類對物質錶麵的觀察能力提升到瞭原子級彆。它的核心原理，基於量子力學中的“隧道效應”。想象一下，當一個極細的金屬探針被極其小心地移動到樣品錶麵附近，但又不直接接觸時，若施加一定的電壓，電子就有可能“穿過”探針與樣品之間本應存在的絕緣間隙。這種電子的“穿隧”行為，産生的電流強度對探針與樣品間的距離極其敏感，通常隨著距離的增加呈指數級衰減。STM正是巧妙地利用瞭這一物理現象：通過精確控製探針的移動，保持隧道電流恒定，從而在掃描過程中記錄下探針與樣品錶麵之間的三維地形圖。這幅地形圖，便是我們眼前物質錶麵的原子級分辨率圖像。 STM的強大之處不僅在於其極高的空間分辨率，還在於其對樣品錶麵的“非破壞性”探測能力。與傳統的顯微鏡需要樣品散射或透射光綫不同，STM直接探測電子隧道效應，因此對於許多材料，特彆是導電或半導電材料，能夠提供前所未有的精細結構信息。它揭示瞭金屬錶麵原子排列的規律，觀察到瞭半導體錶麵電子態的分布，甚至能夠“看清”單個分子的構型。 STM的應用範圍極其廣泛，幾乎觸及瞭所有與物質錶麵相關的領域。在材料科學中，STM幫助科學傢們理解錶麵生長機製，設計新型納米材料，研究催化劑的活性位點。在凝聚態物理中，STM是探索二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物）錶麵電子行為的利器，為理解和調控量子現象提供瞭直接的觀測手段。在化學領域，STM可以用於研究錶麵化學反應的微觀過程，監測分子吸附和脫附，甚至實現對單個原子的操縱，開啓瞭“原子製造”的新篇章。在生物學領域，雖然STM主要適用於導電樣品，但經過適當的樣品處理，它也能用於觀察生物分子（如DNA、蛋白質）的結構，為理解生物過程的分子機製提供綫索。 觸及萬物：原子力顯微鏡（AFM）的精細探測 與STM需要導電樣品不同，原子力顯微鏡（AFM）則將探測範圍擴展到瞭幾乎所有類型的材料，包括絕緣體。AFM的核心在於利用探針與樣品錶麵原子間的範德蘭作用力（如範德華力、靜電力、磁力等）。它同樣擁有一根極其微小的探針，通常固定在一個彈性懸臂梁的一端。當探針掃描樣品錶麵時，探針與樣品原子之間的吸引力或斥力會導緻懸臂梁發生微小的形變。AFM通過高靈敏度的光學係統（如激光反射和光電二極管）來精確測量懸臂梁的形變，並將其轉化為樣品錶麵的地形信息。 AFM的工作模式多種多樣，最常見的包括接觸模式、非接觸模式和 the tapping（敲擊）模式。在接觸模式下，探針始終與樣品錶麵保持接觸，通過測量探針受到的力反饋來獲得錶麵形貌。這種模式分辨率高，但可能對軟樣品造成損傷。非接觸模式則通過測量探針與樣品之間的吸引力來成像，避免瞭物理接觸，但分辨率可能略有下降。The tapping模式則是一種摺衷方案，探針以一定的頻率振動並周期性地接觸樣品錶麵，在每次接觸時測量探針受到的力，從而在保證較高分辨率的同時，大大減少瞭對樣品的損傷，特彆適用於研究易損的生物樣品。 AFM的優勢在於其普適性，幾乎可以對任何固體樣品進行錶麵成像，無論其導電性如何。它不僅能夠提供納米級的形貌信息，還可以通過測量探針與樣品錶麵不同區域的相互作用力，獲取錶麵化學成分、硬度、摩擦力、磁性等多樣化的信息。這種多功能性使得AFM成為許多研究領域的強大工具。 在生物學和醫學領域，AFM已成為研究細胞、病毒、DNA、蛋白質等生物大分子結構和相互作用的有力助手。它能夠以前所未有的清晰度觀察細胞膜的動態變化，研究病毒與宿主細胞的相互作用，甚至能夠“拉伸”單個蛋白質分子，探測其力學性質和構象轉變。在材料科學領域，AFM可以用於錶徵薄膜的粗糙度、研究聚閤物的形貌、分析納米顆粒的尺寸和分布。在半導體工業中，AFM被用於檢測晶圓錶麵的缺陷，控製微電子器件的製造過程。在化工領域，AFM可以用於研究催化劑錶麵的結構和活性，優化化學反應過程。 納米時代的雙子星：STM與AFM的互補與發展 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，雖然在基本原理上有所不同，但它們共同代錶瞭人類探索微觀世界能力的飛躍。STM以其原子級彆的分辨率，揭示瞭導電材料錶麵的電子世界；AFM則以其普適性和多功能性，將探測範圍延伸至所有材料，並能獲取更多的錶麵性質信息。這兩項技術並非相互排斥，而是在許多研究中可以形成有效的互補。例如，可以先用AFM對樣品進行大範圍的形貌掃描，然後將感興趣的區域切換到STM模式下進行高分辨率的電子結構分析。 隨著技術的不斷進步，STM和AFM的功能也在持續拓展。如今，它們已經發展齣許多高級版本，例如，可以集成光譜學功能的STM/AFM，可以實現三維成像的原子力顯微鏡，以及可以在液體環境下工作的顯微鏡。這些改進使得科學傢們能夠在更接近真實的工作環境中，以更高的精度和更豐富的信息來研究微觀世界。 總而言之，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的齣現，是人類科學史上的裏程碑。它們不僅是精密科學儀器的傑齣代錶，更是驅動納米科學、材料科學、生命科學等眾多領域發展的核心技術。它們讓我們得以“看見”原子，理解分子，揭示物質在最微觀尺度下的奧秘。這些精微世界的探索者，正在不斷推動著人類科技的邊界，為創造更美好的未來貢獻著不可或缺的力量。

評分☆☆☆☆☆

這本書是我在上一份工作中，負責采購一批高精密科研設備時，需要對市場上的主流顯微鏡技術進行評估時找到的。當時我對掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）的瞭解僅停留在概念層麵，這本書的齣現，為我提供瞭一個全麵瞭解這些設備性能和技術優勢的窗口。書中對於STM和AFM的技術原理，例如掃描隧道效應、原子力相互作用的物理基礎，都有著清晰的闡述，讓我能夠理解這些設備是如何實現納米級彆的分辨率的。更重要的是，書中詳細介紹瞭這兩種顯微鏡在不同領域的應用案例，包括半導體、納米材料、生物化學等，並且對每種應用場景下的設備選擇、操作要點以及數據解讀進行瞭分析。這對我評估不同供應商提供的設備，理解它們的技術參數和實際性能，以及預測設備在實際應用中可能遇到的問題，提供瞭非常寶貴的參考依據。我尤其欣賞書中關於如何根據樣品特性和研究目的，來選擇最適閤的顯微鏡類型和工作模式的指導性內容，這對於我這樣需要做齣技術決策的人來說，非常有價值。

評分☆☆☆☆☆

我是一名對科學史和技術發展史比較感興趣的業餘讀者，在一次逛書店時，《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》這本書的標題引起瞭我的注意。我一直對人類如何能夠“看見”越來越小的東西感到好奇，所以這本書對我來說，更像是一部關於探索微觀世界的“技術史”。我並沒有去深入研究書中的具體公式和推導，而是更多地關注書中所呈現的科學思想的演變和技術突破的曆程。書中在介紹STM時，詳細講述瞭它發明者的故事，以及量子力學的發展如何為這一突破奠定瞭基礎，讓我對科學的創新有瞭更深的理解。在介紹AFM時，我看到瞭它如何從STM的局限性中發展而來，以及它如何通過探測更廣泛的相互作用力，極大地拓展瞭顯微成像的應用範圍。書中也提到瞭許多早期的經典實驗和重要的科學發現，這些都讓我感受到科學研究的魅力和人類探索未知的不懈努力。雖然我不是這個領域的專業人士，但我仍然能夠從書中感受到這兩種顯微鏡技術所代錶的科學進步的力量，它們改變瞭我們認識世界的方式。

評分☆☆☆☆☆

作為一名長期在納米技術領域工作的研究者，我對各種精密測量儀器有著天然的興趣。偶然的機會接觸到《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》這本書，我首先被它嚴謹的學術風格所吸引。書中對於STM和AFM的物理基礎，例如電子隧穿、錶麵電子態、探針-樣品相互作用力的理論模型，都進行瞭非常深入的探討，引用瞭大量經典的研究成果和公式推導，這對於我這樣需要深入理解儀器背後物理原理的研究人員來說，無疑是一筆寶貴的財富。書中對這兩種顯微鏡的構造、工作流程、以及關鍵參數的設置和優化，都有細緻入微的分析。特彆是關於如何處理和解讀顯微鏡得到的原始數據，以及如何通過這些數據來反推齣樣品的微觀結構和物性，書中提供瞭一套係統性的方法論。書中還涉及瞭一些更高級的分析技術，例如利用AFM進行力譜分析，可以研究材料的機械性能；或者結閤光譜技術，實現納米尺度的化學成分分析。總的來說，這本書的學術深度和廣度都相當可觀，適閤對這兩種顯微鏡有深入研究需求的專業人士。

評分☆☆☆☆☆

這本書我是在準備一個關於材料錶麵研究的課程時偶然發現的，當時對掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM）的基本原理還處於比較模糊的認知階段，這本書的名字正好切中瞭我當時的學習需求。拿到手後，我迫不及待地翻閱起來。整體來說，這本書在對這兩種顯微鏡的成像原理、探測機製以及在實際應用中的基本操作流程上，都做瞭詳盡的介紹。比如，在講述STM時，它詳細解釋瞭量子隧道效應是如何被利用來探測樣品錶麵的電子態密度，並給齣瞭不同的掃描模式，如恒高模式和恒流模式，以及它們各自的優缺點和適用場景。對於AFM，書中則深入剖析瞭探針與樣品錶麵之間的範德華力、靜電力、磁力等相互作用力，並詳細闡述瞭接觸模式、非接觸模式和 the tapping mode (輕敲模式) 的工作原理和區彆，以及如何根據樣品特性選擇閤適的探測模式。此外，書中還穿插瞭一些實際的實驗案例，通過圖文並茂的方式展示瞭如何利用這些顯微鏡來研究不同材料的錶麵形貌、粗糙度、晶體結構甚至分子排列，這對我理解抽象的理論概念非常有幫助。

評分☆☆☆☆☆

我是在準備申請一個跟錶麵科學相關的研究生項目時，被老師推薦閱讀這本《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》。坦白說，初次接觸這本書，我有些擔心它過於理論化，會讓我覺得枯燥。然而，在閱讀過程中，我驚喜地發現，這本書在講解復雜的科學原理時，非常注重結閤實際的應用和案例，使得原本抽象的概念變得生動易懂。例如，在介紹STM如何“看”到單個原子時，書中用形象的比喻解釋瞭電子隧道效應，並配以清晰的示意圖，讓我一下子就理解瞭它的工作機製。對於AFM，書中不僅解釋瞭探針是如何“觸碰”錶麵，還詳細介紹瞭不同類型的探針（如尖銳的矽探針、氮化矽探針）以及它們各自的特點和適用範圍，這讓我對實驗操作有瞭更直觀的認識。書中還列舉瞭許多不同領域的研究實例，比如在生物領域，AFM被用來觀察DNA的結構，在材料科學領域，AFM被用來測量薄膜的厚度。這些鮮活的例子，讓我看到瞭這些精密儀器在解決實際科學問題中的巨大潛力，也極大地激發瞭我對這一研究方嚮的興趣。

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還不錯

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印刷的很好，全新的書。這麼冷門的書居然都有的賣……

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可以讓初學者學習相關的基本原理，非常好的一本書

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