导电型原子力显微镜的研制和应用研究
扫描隧道显微镜只能测量导电的样品，原子力显微镜对样品是否导电没有特殊要求，但是无法测量样品导电性。在实际应用中，更多的研究对象是导电质与非导电质的混合物。特别是近年来人们感兴趣的金属有机复合材料、纳米颗粒镶嵌材料、纳米电子学等方面，都涉及到局域导电性及非导电性等问题。
鉴于STM和AFM在表面分析方面各自的不足，人们提出了将常规AFM针尖和微悬臂进行导电处理，这就将AFM的优点和STM的优点结合了起来，这种新型扫描探针显微镜被称为导电原子力显微镜(CAFM)。它可以同时获得同一微观区域的形貌像和导电像，一经发明就受到广泛关注。 本文在导电型的原子力显微镜研制方面进行了一些初步的尝试，自行设计并试制了一台实验样机。在研制过程中，我们克服各种技术难题，首先，要在Linux环境下的软件开发，从底层的驱动程序到上层图形界面程序；其次是电路设计和调试，由于我们采用独特的电路激励音叉振动设计，没有外加振动器，简化了硬件结构，却给设计和调试工作制造了很大的困难;再次是整个系统的减震，配重调整和用无磁弹簧加磁阻尼悬吊设计；最后是音叉晶振探针装置的创新设计和制备。
研制这套样机的经验积累为我们今后开发多功能的扫描探针技术奠定了基础。利用我们自己的技术，在一台DI公司的多功能扫描探针显微镜上实现了导电AFM的功能。通过对新解理高定向热解石墨(HOPG)表面的同一微观区域进行了扫描探针显微镜(STM)和导电原子力显微镜(CAFM)对比成像实验研究，成功获得了石墨表面同一微观区域的STM像，形貌像和导电像，研究石墨表面的局域导电增强现象，根据样品电阻的测量数据，我们将这种现象归结为导电针尖与石墨表面的点接触问题，并且发现接触电导和接触点处局域的电子密度成正比，从而确定石墨表面的局域导电增强现象的原因在于残留在石墨表面的石墨片具有较高的电子密度。
我们还发现：(1)对于同一石墨台阶STM测得的高度总是高于AFM测得的高度，(2)导电像的分辨率总是好于AFM形貌像和STM像的分辨率，(3)高度接近单原子台阶的石墨片其导电性与STM像存在一定的对应关系。对同一微观区域进行大量实验研究，我们还发现实验测得的台阶高度具有一定分布规律，并不都是单原子台阶高度的整数倍。事实上，测得的恰为单台阶高度整数倍的台阶很少，接近单台阶高度的台阶占有最大比例，说明表面石墨片与体内石墨片有很大区别。以上结果对于深入理解石墨表面导电性具有重要意义。
-
项目成果
