扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SP

什么是扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SPM)?
SPM是一个大的种类，目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，如扫描隧道显微镜STM）、原子
（力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、近场光学显微镜（SNOM）等等。
SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研 究物质的表
面上方扫描时检测探针—样品两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间
的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。
　
扫描隧道显微镜模块：
　
STM（Scanning Tunneling Microscope的简称）的工作原理来源于量子力学中的隧道效应原理。
当金属探针在与导电样品非常接近时（小于1nm），控制探针在样品表面进行逐行扫描，检测探针与样
品间隧道电流的变化来获取样品表面形貌、I-Z、I-V曲线等其它特性。
由于要在探针和样品间产生并传输隧道电流，所以只能检测导电
样品。
　
什么是原子力显微镜（Atomic Force Microscope -- AFM）?
AFM是SPM最重要的发展。它控制一个微悬臂探针在样品表面进行逐行扫描，当探针在与样品非
常接近时（小于1nm），由于两者间原子的相互作用力，使对微弱力极敏感的微悬臂发生偏转，再
通过光杠杆作用将微小偏转放大，用四象限光电探测器检测，以获取样品表面形貌和其它物理、化
学特性。AFM按照其成像模式和检测信号的不同，有多种不同的工作模式，适用于不同性质的材料.
样品。
由于AFM对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛，弥补了STM只能观察导电样品的不足。
　
原子力显微镜基础模块：
　
该模块包含原子力显微镜接触模式和横向力模式。

模式 接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。该
时探 模式分辨率较高，但成像针对样品作用力较大，容易对样品表面形
测表 成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，适合 检测强度较高、结构
稳定的样品。
横向力模式：是接触模式的扩展技术，针尖压在样品表面扫描时，与起
伏力方向垂直的横向力使微悬臂探针左右扭曲，通过检测这种扭
曲，获得样品纳米尺度局域上探针的横向作用力分布图。

原子力显微镜专业模块：
　
该模块包含原子力显微镜轻敲模式和相移模式。

轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样
品表面的起伏使微悬臂探 针的振幅产生相应变化，从而得到样品
的表面形貌。
由于该模式下，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地对样品进行“敲
击”，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检测粉体颗
粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率接触模式低。
相移模式：是轻敲模式的扩展技术，通过检测微悬臂实际 振动与其驱动信
号源的相位差的变化来成像。引起相移的因素很多，如样品的组分、
硬度、粘弹性、环境阻尼等。因此利用相移模式，可以在纳米尺度上
获得样品表面局域性质的丰富信息。
液相模式：（选配）配有液体池，工作时探针和样品都在液体环境中，
适用于生物样品
摩擦力显微镜模块：
　
原子力显微镜基础模块中的横向力模式可以获得样品与探针的横向作用力分布图。由于影响
横向力的因素很多，主要包括样品移动方向与针尖悬臂角度、样品晶格排列角度、摩擦力、台阶扭动、
粘弹性等，因此，如果能够基本确定其它因素，利用横向力模式可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测
量，进行表面裂缝及粘弹性分析等。
摩擦力显微镜是用于定量评价极轻载荷下（10^-7—10^-9N）薄膜材料的摩擦学特性，通过对针
悬臂 尖及悬臂的力学特性准确标定，能够获取微观摩擦系数，为纳米摩擦学研究提供依据。利用我们独创的
对分模式扫描，可以准确标定针尖悬臂与扫描方向的90度角，以消除针尖放置角度的不准确和扫描器
误安装位置的差；通过设定正压力的变化范围，可以连续改变正压力，
几分钟内就可完成几小时才能 完成的测量过程，而且系统状态变化很小，
使得测量更准确；由于有4通道同步采集，在所有的力测量过程中，我们
可以同时采集到样品的起伏、针尖所受到的起伏力、横向力，可以准确
分析针尖的状态，为精确分析摩擦力提供了更为详实的数据。
　
磁力/静电力显微镜模块：
　
抬起模式：该工作模式分两个阶段,第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样，在探针与样品间
距1nm以内成像，然后，将探针抬起并一直保持相同距离，进行第二次扫描，该扫描过程可以对一些
相对微弱但作用程较长的作用力进行检测，如磁力或静电力。
磁力显微镜（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性
探针在磁性样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式进行二次成像，获得样
品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。
静电力显微镜（Electrostatic Force Microscope -- EFM）：
控制导电探针在样品表面进行逐行扫描，利用抬起模式二次成像，获得
样品纳米尺度局域上静电场分布图。
　
扫描探针声学显微镜模块：
扫描探针声学显微镜（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是将原子力显微镜与电声成
像技术相结合，采用声学成像模式，借用声波记录下物质的内部模样，建立了低频（<30kHz）高分
辨率（~10nm）扫描探针声学显微成像技术。其特点是能够获得反映材料亚表面纳米尺度结构的声
学像和性能的原位检测，克服了现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足。迄今为止，反映材
料亚表面纳米尺度结构及有关物性的声学功能模式的SPM在国内外报道甚少。
　
样品定位辅助模块：
　
该模块包含高分辨CCD光学显微系统和高精度电控样品移动平台。
高分辨CCD光学显微系统：在计算机上成像，用于观察探针和样
品，放大80—600倍。
高精度电控样品移动平台：计算机自动控制，配合 光学显微系统
进行精确样品移动和定位的装置。移动范围5mm*5mm，单步移动步长最小
85nm。
　
纳米加工模块：
　
SPM的纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，常用的加工方法包括机械刻蚀、电致/场致刻
润笔 蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM针尖在样品表面准确移动，
与样 同时控制针尖-样品间的相互作用，就可完成所需的加工过程。
常用的移动方法包括矢量和点阵。矢量法通过矢量产生插件建立矢量数据文件，然后进行刻蚀。
使用这种方法，线条连续，刻蚀速度快，但矢量编辑较为麻烦。点阵法通过插件自动分析需要刻蚀的图
象，在样品上边扫描边刻蚀。这种方法不用编辑矢量，与原图像几乎不失真，但刻蚀速度慢，线条不连
续。可以根据需要选择不同的方法。
　
SPM通用平台开放式开发系统模块：
　
SPM通用平台开放式开发系统是一套完整的SPM模块化开发平台，简称“开发系统”。包括软件
板和 开发模硬件开发套件。如果您需要在已有的SPM功能上开发特殊要求的功能模块，就需要购买开发系
统。目前，离线软件开发模板我们都免费赠送，鼓励用户亲自开发，或者提出详细要求和算法，委托我
们为SPM定制1-2个特殊功能的处理插件，这都是免费的服务。
软硬件结合的特殊功能的SPM开发就要使用“开发系统”了。这套系统具体包括软件开发模板、硬件
扩展接口测试箱(硬件扩展实验板组)、硬件接口插件模板、开发手册。该系统的设计充分考虑了用户级
二次开发的方便性、可行性和可靠性。当然，您也可以购“开发系统”，然后提出IDEA，由我们来帮您
合作完成。
在您了解了各个功能模块后，您可以选型了，我们为了您搭建了四种机型，它们的外形都基本
一样，那是因为这样便于您今后无障碍模块化升级。
模块/型号 ZL STM-II 型
扫描隧道显微镜
ZLAFM-II型
原子力显微镜
ZLAFM-III型
扫描探针显微镜
ZL3000型扫
描探针显微镜
扫描隧道
显微镜模块 　 　 　 　
原子力显微镜
基础模块 　 　 　 　
原子力 显微镜
专业模块 　 　 　 　
摩擦力
显微镜模块 　 　 可选配　 　
磁力/静电力
显微镜模块 　 　 　 　
样品定位
铺助模块 　 可选配 　 　
纳米 加工
模块 　 可选配 可选配 可选配
SPM通用平台
开发系统 　 　 可选配 可选配
扫描探针
声学模块
　 　 可选配 可选配

各功能模块介绍摘要：
1．扫描隧道显微镜只能检测 导电样品，因其有样品的局限性，所以通常作为教学仪器。
2．原子力显微镜对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛。AFM基础模块包括接触模式和横
向模式；AFM专业模块包括轻巧和相移模式。
3．接触模式AFM适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。
4．横向力模式AFM可以获得样品纳米尺度局限上探针的横向作用力分布图。
5．轻敲模式AFM适合检测粉体颗粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接
触模式较低。
6．相移模式AFM对不同组分材料的组分变化比较敏感。
7．磁力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。
8．静电力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上静电场分布图。
9．样品定位辅助模块用于实现样品在毫米量级范围内以纳米精度搜寻定位。
10．纳米加工模块用于实现矢量刻蚀和图形刻蚀方法的纳米加工。
11．如需开发特殊功能SPM，需要购买SPM通用平台开放式开发系统。

配置/型号 ZL
STM-II ZL
AFM-I ZL
AFM-II ZL
AFM-III ZL
3000
主机 可扩展式电子学控制机箱
多模式扫描探针显微镜组合式探头 扫描隧道显微镜
原子力显微镜 接触/横向力 模式
原子力显微镜 轻敲/相移 模式
摩擦力显微镜
磁力/静电力显微镜
针尖粗调/自动趋近机构
扫描器(单一多量程自适应扫描器不更换技术)
针尖架 扫描隧道模式针尖架
原子力基础模式针尖架
原子力专业模式针尖架
磁力模式针尖架
静电力模式针尖架
组合式纳米级减振系统
1个
包含 包含 包含 包含
包含
　 　 　
　 　 　
　 　 　 　
1套
6μm 6μm 50μm 50μm 100μm
1个 2个 3个 5个
1个
　 　 　

1套
软件
系统
　 在线控制软件 1套
离线图像处理/分析软件
离线软件开发模板
摩擦力分析软件 　 　 　 　
网络实验室远程控制软件 　 　 　
培训课件/实验教材/科普教材/说明书光盘 　
附件 标准样品 1套
样品载片 5片 5片 10片 10片 15片
STM探针 Pt-Ir 20 20cm 　 20cm
AFM接触/横向力/摩擦力模式探针（进口） 　 10枚
AFM轻敲/相移模式探针（进口） 　 　 　 10枚
MFM磁力探针（进口） 　 　 　 　 5枚
EFM导电探针（进口） 5枚
专用工具（镊子、针尖剪刀、玻璃皿 等）
1套
样品
定位
模块 高分辨CCD光学显微系统 可选配
高精度电控样品移动平台 　 　
纳米加工模块
SPM通用平台开放式开发系统 　 　

　 

什么是扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SPM)?
SPM是一个大的种类，目前，SPM家族中已经产生了二三十种显微镜，如扫描隧道显微镜STM）、原子
（力显微镜（AFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、近场光学显微镜（SNOM）等等。
SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性，通过原子线度的极细探针在被研 究物质的表
面上方扫描时检测探针—样品两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性，不同类型的SPM之间
的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。
　
扫描隧道显微镜模块：
　
STM（Scanning Tunneling Microscope的简称）的工作原理来源于量子力学中的隧道效应原理。
当金属探针在与导电样品非常接近时（小于1nm），控制探针在样品表面进行逐行扫描，检测探针与样
品间隧道电流的变化来获取样品表面形貌、I-Z、I-V曲线等其它特性。
由于要在探针和样品间产生并传输隧道电流，所以只能检测导电
样品。
　
什么是原子力显微镜（Atomic Force Microscope -- AFM）?
AFM是SPM最重要的发展。它控制一个微悬臂探针在样品表面进行逐行扫描，当探针在与样品非
常接近时（小于1nm），由于两者间原子的相互作用力，使对微弱力极敏感的微悬臂发生偏转，再
通过光杠杆作用将微小偏转放大，用四象限光电探测器检测，以获取样品表面形貌和其它物理、化
学特性。AFM按照其成像模式和检测信号的不同，有多种不同的工作模式，适用于不同性质的材料.
样品。
由于AFM对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛，弥补了STM只能观察导电样品的不足。
　
原子力显微镜基础模块：
　
该模块包含原子力显微镜接触模式和横向力模式。

模式 接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，扫描过程中与样品保持接触。该
时探 模式分辨率较高，但成像针对样品作用力较大，容易对样品表面形
测表 成划痕，或将样品碎片吸附在针尖上，适合 检测强度较高、结构
稳定的样品。
横向力模式：是接触模式的扩展技术，针尖压在样品表面扫描时，与起
伏力方向垂直的横向力使微悬臂探针左右扭曲，通过检测这种扭
曲，获得样品纳米尺度局域上探针的横向作用力分布图。

原子力显微镜专业模块：
　
该模块包含原子力显微镜轻敲模式和相移模式。

轻敲模式：在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态，样
品表面的起伏使微悬臂探 针的振幅产生相应变化，从而得到样品
的表面形貌。
由于该模式下，针尖随着悬臂的振荡，极其短暂地对样品进行“敲
击”，因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失，适合检测粉体颗
粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率接触模式低。
相移模式：是轻敲模式的扩展技术，通过检测微悬臂实际 振动与其驱动信
号源的相位差的变化来成像。引起相移的因素很多，如样品的组分、
硬度、粘弹性、环境阻尼等。因此利用相移模式，可以在纳米尺度上
获得样品表面局域性质的丰富信息。
液相模式：（选配）配有液体池，工作时探针和样品都在液体环境中，
适用于生物样品
摩擦力显微镜模块：
　
原子力显微镜基础模块中的横向力模式可以获得样品与探针的横向作用力分布图。由于影响
横向力的因素很多，主要包括样品移动方向与针尖悬臂角度、样品晶格排列角度、摩擦力、台阶扭动、
粘弹性等，因此，如果能够基本确定其它因素，利用横向力模式可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测
量，进行表面裂缝及粘弹性分析等。
摩擦力显微镜是用于定量评价极轻载荷下（10^-7—10^-9N）薄膜材料的摩擦学特性，通过对针
悬臂 尖及悬臂的力学特性准确标定，能够获取微观摩擦系数，为纳米摩擦学研究提供依据。利用我们独创的
对分模式扫描，可以准确标定针尖悬臂与扫描方向的90度角，以消除针尖放置角度的不准确和扫描器
误安装位置的差；通过设定正压力的变化范围，可以连续改变正压力，
几分钟内就可完成几小时才能 完成的测量过程，而且系统状态变化很小，
使得测量更准确；由于有4通道同步采集，在所有的力测量过程中，我们
可以同时采集到样品的起伏、针尖所受到的起伏力、横向力，可以准确
分析针尖的状态，为精确分析摩擦力提供了更为详实的数据。
　
磁力/静电力显微镜模块：
　
抬起模式：该工作模式分两个阶段,第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样，在探针与样品间
距1nm以内成像，然后，将探针抬起并一直保持相同距离，进行第二次扫描，该扫描过程可以对一些
相对微弱但作用程较长的作用力进行检测，如磁力或静电力。
磁力显微镜（Magnetic Force Microscope -- MFM）：控制磁性
探针在磁性样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式进行二次成像，获得样
品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。
静电力显微镜（Electrostatic Force Microscope -- EFM）：
控制导电探针在样品表面进行逐行扫描，利用抬起模式二次成像，获得
样品纳米尺度局域上静电场分布图。
　
扫描探针声学显微镜模块：
扫描探针声学显微镜（SPAM，Scanning Probe Acoustic Microscope）是将原子力显微镜与电声成
像技术相结合，采用声学成像模式，借用声波记录下物质的内部模样，建立了低频（<30kHz）高分
辨率（~10nm）扫描探针声学显微成像技术。其特点是能够获得反映材料亚表面纳米尺度结构的声
学像和性能的原位检测，克服了现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足。迄今为止，反映材
料亚表面纳米尺度结构及有关物性的声学功能模式的SPM在国内外报道甚少。
　
样品定位辅助模块：
　
该模块包含高分辨CCD光学显微系统和高精度电控样品移动平台。
高分辨CCD光学显微系统：在计算机上成像，用于观察探针和样
品，放大80—600倍。
高精度电控样品移动平台：计算机自动控制，配合 光学显微系统
进行精确样品移动和定位的装置。移动范围5mm*5mm，单步移动步长最小
85nm。
　
纳米加工模块：
　
SPM的纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一，常用的加工方法包括机械刻蚀、电致/场致刻
润笔 蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM针尖在样品表面准确移动，
与样 同时控制针尖-样品间的相互作用，就可完成所需的加工过程。
常用的移动方法包括矢量和点阵。矢量法通过矢量产生插件建立矢量数据文件，然后进行刻蚀。
使用这种方法，线条连续，刻蚀速度快，但矢量编辑较为麻烦。点阵法通过插件自动分析需要刻蚀的图
象，在样品上边扫描边刻蚀。这种方法不用编辑矢量，与原图像几乎不失真，但刻蚀速度慢，线条不连
续。可以根据需要选择不同的方法。
　
SPM通用平台开放式开发系统模块：
　
SPM通用平台开放式开发系统是一套完整的SPM模块化开发平台，简称“开发系统”。包括软件
板和 开发模硬件开发套件。如果您需要在已有的SPM功能上开发特殊要求的功能模块，就需要购买开发系
统。目前，离线软件开发模板我们都免费赠送，鼓励用户亲自开发，或者提出详细要求和算法，委托我
们为SPM定制1-2个特殊功能的处理插件，这都是免费的服务。
软硬件结合的特殊功能的SPM开发就要使用“开发系统”了。这套系统具体包括软件开发模板、硬件
扩展接口测试箱(硬件扩展实验板组)、硬件接口插件模板、开发手册。该系统的设计充分考虑了用户级
二次开发的方便性、可行性和可靠性。当然，您也可以购“开发系统”，然后提出IDEA，由我们来帮您
合作完成。
在您了解了各个功能模块后，您可以选型了，我们为了您搭建了四种机型，它们的外形都基本
一样，那是因为这样便于您今后无障碍模块化升级。
模块/型号 ZL STM-II 型
扫描隧道显微镜
ZLAFM-II型
原子力显微镜
ZLAFM-III型
扫描探针显微镜
ZL3000型扫
描探针显微镜
扫描隧道
显微镜模块 　 　 　 　
原子力显微镜
基础模块 　 　 　 　
原子力 显微镜
专业模块 　 　 　 　
摩擦力
显微镜模块 　 　 可选配　 　
磁力/静电力
显微镜模块 　 　 　 　
样品定位
铺助模块 　 可选配 　 　
纳米 加工
模块 　 可选配 可选配 可选配
SPM通用平台
开发系统 　 　 可选配 可选配
扫描探针
声学模块
　 　 可选配 可选配

各功能模块介绍摘要：
1．扫描隧道显微镜只能检测 导电样品，因其有样品的局限性，所以通常作为教学仪器。
2．原子力显微镜对样品没有导电性的要求，应用范围十分广泛。AFM基础模块包括接触模式和横
向模式；AFM专业模块包括轻巧和相移模式。
3．接触模式AFM适合检测表面强度较高、结构稳定的样品。
4．横向力模式AFM可以获得样品纳米尺度局限上探针的横向作用力分布图。
5．轻敲模式AFM适合检测粉体颗粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品，但分辨率比接
触模式较低。
6．相移模式AFM对不同组分材料的组分变化比较敏感。
7．磁力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。
8．静电力显微镜可以获得样品纳米尺度局域上静电场分布图。
9．样品定位辅助模块用于实现样品在毫米量级范围内以纳米精度搜寻定位。
10．纳米加工模块用于实现矢量刻蚀和图形刻蚀方法的纳米加工。
11．如需开发特殊功能SPM，需要购买SPM通用平台开放式开发系统。

配置/型号 ZL
STM-II ZL
AFM-I ZL
AFM-II ZL
AFM-III ZL
3000
主机 可扩展式电子学控制机箱
多模式扫描探针显微镜组合式探头 扫描隧道显微镜
原子力显微镜 接触/横向力 模式
原子力显微镜 轻敲/相移 模式
摩擦力显微镜
磁力/静电力显微镜
针尖粗调/自动趋近机构
扫描器(单一多量程自适应扫描器不更换技术)
针尖架 扫描隧道模式针尖架
原子力基础模式针尖架
原子力专业模式针尖架
磁力模式针尖架
静电力模式针尖架
组合式纳米级减振系统
1个
包含 包含 包含 包含
包含
　 　 　
　 　 　
　 　 　 　
1套
6μm 6μm 50μm 50μm 100μm
1个 2个 3个 5个
1个
　 　 　

1套
软件
系统
　 在线控制软件 1套
离线图像处理/分析软件
离线软件开发模板
摩擦力分析软件 　 　 　 　
网络实验室远程控制软件 　 　 　
培训课件/实验教材/科普教材/说明书光盘 　
附件 标准样品 1套
样品载片 5片 5片 10片 10片 15片
STM探针 Pt-Ir 20 20cm 　 20cm
AFM接触/横向力/摩擦力模式探针（进口） 　 10枚
AFM轻敲/相移模式探针（进口） 　 　 　 10枚
MFM磁力探针（进口） 　 　 　 　 5枚
EFM导电探针（进口） 5枚
专用工具（镊子、针尖剪刀、玻璃皿 等）
1套
样品
定位
模块 高分辨CCD光学显微系统 可选配
高精度电控样品移动平台 　 　
纳米加工模块
SPM通用平台开放式开发系统