㈠ 研究納米材料的儀器
形貌和操縱，元素分析的儀器：SPM（AFM,STM等）,TEM,SEM
器件加工：光刻（紫外，電子束，離子束等），納米壓印，激光直寫等
材料性能：拉曼，熒光，紫外，PPMS，探針台，半導體測試系統,TGA等
自己搭建儀器很重要
㈡ 如何通過儀器表徵納米顆粒大小
納米材料是指三維空間尺寸中至少有一維處於納米數量級（1~100 nm），或由納米結構單元組成的具有特殊性質的材料，當材料的粒度大小達到納米尺度時，將具有傳統微米級尺度材料所不具備優勢，所以其中納米材料的粒度則是其最重要的表徵參數之一。通過儀器表徵納米顆粒大小的方式其實還是挺多的。比如電子顯微鏡法，電子顯微鏡法是對納米材料尺寸、形貌、表面結構和微區化學成分研究最常用的方法， 一般包括掃描電子顯微鏡法（SEM） 和透射電子顯微鏡法（TEM）。激光粒度分析法，動態光散射法，X射線衍射線寬法（XRD），X射線小角散射法（SAXS），掃描探針顯微鏡法（SPM）。
㈢ 科研常用的幾種顯微鏡原理及應用介紹
在科研中常見的幾種科研型顯微鏡主要有掃描探針顯微鏡，掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡幾種，下面對這幾種顯微鏡逐一做以介紹：
掃描探針顯微鏡
掃描探針顯微鏡
掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscope，SPM）是掃描隧道顯微鏡及在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的各種新型探針顯微鏡（原子力顯微鏡AFM,激光力顯微鏡LFM，磁力顯微鏡MFM等等）的統稱，是國際上近年發展起來的表面分析儀器，是綜合運用光電子技術、激光技術、微弱信號檢測技術、精密機械設計和加工、自動控制技術、數字信號處理技術、應用光學技術、計算機高速採集和控制及高分辨圖形處理技術等現代科技成果的光、機、電一體化的高科技產品。
掃描探針顯微鏡以其解析度極高（原子級解析度）、實時、實空間、原位成像，對樣品無特殊要求（不受其導電性、乾燥度、形狀、硬度、純度等限制）、可在大氣、常溫環境甚至是溶液中成像、同時具備納米操縱及加工功能、系統及配套相對簡單、廉價等優點，廣泛應用於納米科技、材料科學、物理、化學和生命科學等領域，並取得許多重要成果。SPM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有著其明顯的優勢：
首先，SPM具有極高的解析度。它可以輕易的「看到」原子，這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。
其次，SPM得到的是實時的、真實的樣品表面的高解析度圖像。而不同於某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結構。也就是說，SPM是真正看到了原子。
再次，SPM的使用環境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環境要求比較苛刻，樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。
因此SPM適用於各種工作環境下的科學實驗。SPM的應用領域是寬廣的。無論是物理、化學、生物、醫學等基礎學科，還是材料、微電子等應用學科都有它的用武之地。SPM的價格相對於電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。任何事物都不是十全十美的一樣，SPM也有令人遺憾的地方。
由於其工作原理是控制具有一定質量的探針進行掃描成像，因此掃描速度受到限制，測效率較其他顯微技術低；由於壓電效應在保證定位精度前提下運動范圍很小（目前難以突破100μm量級），而機械調節精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續變焦，定位和尋找特徵結構比較困難；目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個數量級，掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會導致系統無法正常甚至損壞探針。
因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；由於系統是通過檢測探針對樣品進行掃描時的運動軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真（採用探針重建可以部分克服）
掃描隧道顯微鏡
掃描隧道顯微鏡
掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope，STM)掃描隧道顯微鏡的英文縮寫是ＳＴＭ。這是２０世紀８０年代初期出現的一種新型表面分析工具。由德國人賓寧(G.Binnig,1947-)和瑞士人羅勒(H.Roher,1933-)1981年發明，根據量子力學原理中的隧道效應而設計。
賓寧和羅勒因此獲得1986年諾貝爾獎.1988年，IBM科學家從由掃描隧道顯微鏡激發的納米尺度的局部區域觀測到了光子發射，從而使發光及熒光等現象能夠在納米尺度上進行研究。1989年，IBM院士（IBMFellow）DonEigler成為第一個能夠對單個原子表面進行操作的人，通過用一台「掃描隧道顯微鏡」操控35個氙原子的位置，拼寫出了「I-B-M」3個字母。1991年，IBM科學家演示了一個原子開關。
基本原理：其基本原理是基於量子力學的隧道效應和三維掃描。它是用一個極細的尖針，針尖頭部為單個原子去接近樣品表面，當針尖和樣品表面靠得很近，即小於１納米時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子雲發生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級１０Ａ的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恆定，並使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態等有關表面信息記錄下來。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間解析度，橫向可達０．１納米，縱向可優於０．０１納米。它主要用來描繪表面三維的原子結構圖，在納米尺度上研究物質的特性，利用掃描隧道顯微鏡還可以實現對表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對表面的刻蝕、修飾以及直接書寫等。目前掃描隧道顯微鏡取得了一系列新進展，出現了原子力顯微鏡ＡＦＭ、彈道電子發射顯微鏡ＢＥＥＭ、光子掃描隧道顯微鏡ＰＳＴＭ，以及掃描近場光學顯微鏡ＳＮＯＭ等。
或者用一個金屬針尖在在樣品表面掃描。當針尖和樣品表面距離很近時(1nm以下)，針尖和樣品表面之間會產生電壓。當針尖沿X和Y方向在樣品表面掃描時，就會在針尖和樣品表面第一層電子之間產生電子隧道。該顯微鏡設計的沿Z字形掃描，可保持電流的恆定。因此，針尖的移動是隧道電流的作用，並且可以反映在熒光幕上。連續的掃描可以建立起原子級解析度的表面像。
特點：與電子顯微鏡或X線衍射技術研究生物結構相比，掃描隧道顯微鏡具有以下特點∶
①高解析度掃描隧道顯微鏡具有原子級的空間解析度，其橫向空間解析度為lÅ，縱向解析度達0.1Å，
②掃描隧道顯微鏡可直接探測樣品的表面結構，可繪出立體三維結構圖像。
③掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測物質的結構，它的優點是三態（固態、液態和氣態）物質均可進行觀察，而普通電鏡只能觀察製作好的固體標本，由於沒有高能電子束，對表面沒有破壞作用(如輻射，熱損傷等)所以能對生理狀態下生物大分子和活細胞膜表面的結構進行研究，樣品不會受到損傷而保持完好。
④掃描隧道顯微鏡的掃描速度快，獲取數據的時間短，成像也快，有可能開展生命過程的動力學研究。
⑤不需任何透鏡，體積小，有人稱之為"口袋顯微鏡"(pocketmicroscope)。
原子力顯微鏡
原子力顯微鏡
原子力顯微鏡:是一種利用原子,分子間的相互作用力來觀察物體表面微觀形貌的新型實驗技術.它有一根納米級的探針,被固定在可靈敏操控的微米級彈性懸臂上.當探針很靠近樣品時,其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會使懸臂彎曲,偏離原來的位置.根據掃描樣品時探針的偏離量或振動頻率重建三維圖像.就能間接獲得樣品表面的形貌或原子成分。
它通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質的表面結構及性質。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化。
掃描樣品時，利用感測器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級解析度獲得表面結構信息。它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監控其運動的反饋迴路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像採集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下解析度也在納米級水平。
㈣ 掃描隧道顯微鏡怎樣操縱原子
用STM進行單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動，提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈沖，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0.3－1.0nm。因此在電壓脈沖的作用下，將會在針尖和樣品之間產主一個強度在 109～1010V／m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取，並在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。
近代以來，由於人們的觀察視野已經延伸到了納米領域，而光束在成像時總會受到有限大小的有效光闌的限制，所以此時光的衍射作用就不容忽略了。對於顯微鏡來說，其發光物一般距物像很近，這時應考慮菲涅爾衍射，物點成像後在像面上應成為一菲涅爾圓斑，不過通常情況下，我們可以用夫琅禾費圓斑進行近似替代。那麼光學顯微鏡的解析度最佳只能達到阿貝極限：0.2μm。即便如德國科學家施特芬·黑爾等科學家製作出的藉助脈沖激光突破阿貝極限的光學顯微鏡，解析度也僅停留在20nm，依然難以滿足人們進軍微觀領域的需要。而且此顯微鏡價格高昂，在80萬歐元左右。事實上，當年白春禮教授僅僅藉助從國外帶來的幾個重要零件並加以組裝就得到了STM。一台普通的STM價格都在10萬RMB以下。因此我們需要尋找更經濟且性能更好的顯微鏡來替代光學顯微鏡。
在這種情況下，掃描探針、光導鑷子、高解析度電鏡就應運而生。其中，運用探針進行進場操作的掃描探針顯微技術無疑引起了人們最為廣泛的關注。
掃描探針顯微術SPM
掃描探針顯微技術主要是利用頂端約1-10Å的探針來3D解析固體表面納米尺度上的局部性質。掃描探針顯微鏡SPMs就是一系列的基於掃描探針顯微術而發展起來的顯微鏡，它包括STM、AFM、LFM、MFM等等。其中STM和AFM的發明使得各種掃描探針顯微技術有了長足的發展，下面我們先來看一下迄今為止衍生出來的主要的掃描探針分析儀：
電子結構：掃描隧道電流鏡STS
STS用來在低溫情況下測定電子結構；
光學性質：近場掃描光學顯微鏡NSOM
NSOM打破了衍射限制，允許光進入亞微米波長范圍（50-100nm），用於彈性和非彈性的光學掃描測定，也可以用於光刻技術；
溫度：熱掃描顯微鏡STHM
STHM用溫度感測器繪制出電子/光電子納米器件的溫度場，測定納米結構的熱物理性質；
介電常數：掃描電容顯微鏡SCM
SCM主要應用在半導體上。由於半導體電容依賴於載流子的濃度，因此研究者可以用SCM繪制出摻雜劑在半導體中的分布圖。它優越之處在於納米尺度上的立體分辨能力；
磁性：磁力共振顯微鏡MFM
MFM可以給磁域成像作為磁存儲介質的綜合性表徵，MFM測定核與電子的自旋共振並具有亞微米級的解析力，這可能使它成為化學分析的基礎；
電荷傳遞和亥姆霍茲層：掃描電化學SECM
生物分子折疊/識別：納米機械顯微鏡
以前只能停留在總體的平均測定，現在可以更深入的測定生物系統的分子現象。
掃描隧道顯微鏡STM
不過，以上各種儀器只是對STM和AFM的補充和發展。其中STM作為「主角」，意義尤為重大，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。甚至有人將STM的發明的當年作為納米科技元年。那麼我們不妨具體看一下STM和AFM。
掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope）STM，也稱作掃描穿隧式顯微鏡、隧道掃描顯微鏡。第一台STM誕生於瑞士的蘇黎世研究所。STM可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有AFM更高的解析度。STM平行方向的解析度為0.04nm，垂直方向的解析度達到0.01nm。此外STM在低溫（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子。因此STM不僅僅是探測工具，更是加工工具。
如圖所示，STM主要構成有：頂部直徑約為50-100nm的極細金屬針尖（通常是金屬鎢），用於三維掃描的三個相互垂直的壓電陶瓷（Px、Py、Pz），以及用於掃描和電流反饋的控制器。
STM的基本原理是量子的隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常STM的針尖與樣品的距離非常接近（大約為0.5-1.0nm），所以它們之間的電子雲互相重疊。當在它們之間施加一偏值電壓V（通常為2mV-2V）時，電子就可以因量子隧道效應實現針尖與樣品之間的轉移，從而在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。
其中,K是常數，在真空條件下約等於1，φ為針尖與樣品的平均功函數，s為針尖和樣品表面之間的距離，一般為0.3-1.0nm。
由於隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關系，所以，電流I對s的變化非常敏感。一般來說，如果s減小0.1nm，隧道電流I就會減小10倍。
既然STM是靠隧道電流I和距離s進行工作的，那麼自然，STM有兩種工作模式：恆電流工作模式和恆高度工作模式。恆電流模式就是在STM圖像掃描時始終保持隧道電流恆定，它可以利用反饋迴路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷Px、Py控制針尖在樣品表面上掃描時，從反饋迴路中取出針尖在樣品表面掃描過程中他們之間距離變化的信息（該信息用來反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子圖像。由於恆電流模式時，STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動，針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面，所以恆電流模式可以用於觀察表面形貌起伏較大的樣品。恆電流模式也是一種最常用的掃描模式。
恆高度模式則是始終控制針尖的高度不變，並取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息（該信息也反映樣品表面的起伏），來繪制樣品表面的原子圖像。由於在恆高度模式的掃描過程中，針尖的高度恆定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恆高度模式只能用於觀察表面形貌起伏不大的樣品。
掃描隧道顯微鏡具有以下顯著的特點：一是STM可以直接觀測到材料表面的單個原子和原子在表面上的三維結構圖像；二是STM在觀測材料表面原子結構的同時得到材料表面的掃描隧道譜STS，從而可以研究材料表面的化學結構和電子狀態。
此外，上面我們提到過STM不僅僅是探測工具，更是加工工具。也就是說，STM的針尖不僅可以成像，還可以用於操縱表面上的原子或分子。
用STM進行單原子操縱主要包括三個部分，即單原子的移動，提取和放置。使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在STM針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈沖，一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品表面之間的距離非常接近，僅為0.3－1.0nm。因此在電壓脈沖的作用下，將會在針尖和樣品之間產主一個強度在 109～1010V／m數量級的強大電場。這樣，表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取，並在表面上留下原子空穴，實現單原子的移動和提取操縱。同樣，吸附在STM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上，實現單原子的放置操縱。
STM的優越性還體現在STM實驗還可以在多種環境中進行：大氣、惰性氣體、超高真空或液體。工作溫度可以從絕對零度附近到上千攝氏度。這些都是以前任何一種顯微技術都不能同時做到的。
不過在每一種顯微電鏡中，基礎物理學都限制了其測定的范圍。STM基於電子隧道，它的成像就受到隧道物理學或入射低能電子影響的弛豫過程限制。而且，STM所觀察的樣品一定要有一定程度的導電性，否則效果會很差。
原子力顯微鏡AFM
相比之下，AFM具有更廣泛的功能范圍，可以響應探針與基質之間更多的力，如磁力、庫倫力、色散力、摩擦力和核斥力等，也不會受到材料到點性質的影響。
在AFM中，使用對微弱力非常敏感的彈性懸臂上的針尖對樣品表面作光柵式掃描。當針尖和樣品表面的距離非常接近時，針尖尖端的原子與樣品表面的原子之間存在極微弱的作用力，微懸臂就會發生微小的彈性形變。針尖與樣品之間的力F與微懸臂的形變之間遵循胡克定律：F=-k*x。其中，k為微懸臂的力常數。所以，只要測出微懸臂形變數的大小，就可以獲得針尖與樣品之間作用力的大小。針尖與樣品之間的作用力與距離有強烈的依賴關系，所以在掃描過程中利用反饋迴路保持針尖與樣品之間的作用力恆定，即保持為懸臂的形變數不變，針尖就會隨樣品表面的起伏上下移動，記錄針尖上下運動的軌跡即可得到樣品表面形貌的信息。這種工作模式被稱為「恆力」模式，是使用最廣泛的掃描方式。
AFM的圖像也可以使用「恆高」模式來獲得，也就是在X，Y掃描過程中，不使用反饋迴路，保持針尖與樣品之間的距離恆定，通過測量微懸臂Z方向的形變數來成像。這種方式不使用反饋迴路，可以採用更高的掃描速度，通常在觀察原子、分子像時用得比較多，而對於表面起伏比較大的樣品不適用。
微觀形貌檢測技術
當然，任何一種發明都不是憑空產生的，都是在前人工作的基礎上的改進。SPMs也不例外。在STM之前，就有幾種微觀形貌檢測技術了，只不過它們的性能沒有這么優越。
光學顯微鏡
投射電子顯微鏡TEM
TEM和光學顯微鏡的原理極為相似，只是用波長極短的電子束代替了可見光現，用靜電或磁透鏡代替光學玻璃透鏡，最後在熒光屏上成像。TEM的放大倍數極高，點解析度可達0.3nm，線解析度可達0.144nm，已達原子級解析度。用TEM觀察物體內部顯微結構時，可看到原子排列的晶格圖像，並已觀察到某些重金屬原子的投影圖像。只是用TEM檢測時，試件需在真空室內。
TEM是通過電子束投過試件而放大成像的，電子束在材料中的衰減系數極大，故試件必須加工的很薄，因此限制了TEM的使用范圍。
表面輪廓儀
表面輪廓儀是用探針對試件表面形貌進行接觸測量，這與SPM的工作原理極為相似，只是後者使用了更尖銳的探針和靈敏的探針位移檢測方法。
掃描電子顯微鏡SEM
SEM利用高能量、細聚焦的電子束在試件表面掃描，激發二次放電，利用二次放電信息對試件表面的組織或形貌進行檢測、分析和成像的一種電子光學儀器。SEM的放大倍率在10—150000之間且連續可調，試件在真空室內還可按需要進行升降、平移、旋轉或傾斜。
SEM在普通熱鎢絲電子槍條件下，解析度為5-6nm，如果用場發射電子槍,解析度可達2-3nm，不過解析度還沒有達到原子級別。
場發射形貌描繪儀
場發射原理在1956年由R.young提出，但直到1971年R.young和J.Ward才提出了應用場發射原理的形貌描繪儀。它在基本原理和操作上，是最接近STM的儀器。探針尖裝在頂塊上，可由X向和Y向壓電陶瓷驅動，做X向和Y向掃描運動。試件裝在下面的Z向壓電陶瓷元件上，由反饋電路控制，保持針尖和試件間的距離。R.young使用的針尖曲率半徑為幾十納米，針尖和試件間的距離為100nm。在試件上加正高壓後，針尖與試件間產生場發射電流。探針在試件表面掃描，可根據場發射電流的大小，檢測出試件表面的形貌。R.young用形貌描繪儀繼續進行研究，發現當探針尖與試件間距離很近時，較小的外加偏壓V即可產生隧道電流，並且隧道電流I對距離s極為敏感。他們觀察到的I和V為線性關系，後人估計針尖與試件間的距離為1.2nm。可惜他們的研究到此為止，未在檢測試件形貌時利用隧道電流效應，因而與STM的發明失之交臂。假如他能及時想到縮小針尖與試件表面間的距離，那麼STM公布發表時的發明人名字就是R.Young了。可惜他沒有意識到這一點，更沒有去縮短那一點的該死的微小距離。
附：TEM與SEM的比較
比較項目 顯微鏡類型 TEM SEM
鏡身長度 長，要能讓電子加速 短，只需要保證與樣品間的距離
解析度 高，能達到原子級別 低，停留在納米級別
投影圖像 平面圖形，無立體感 有極強的立體感
圖像背景 背景亮，試樣處暗 背景暗，試樣處亮
工作原理 與光學顯微鏡類似 利用光電效應產生的電子獲得立體圖像
收集器位置 在鏡身底部 在鏡身上部
適用范圍 5-500nm的薄片 可以比較厚
能否區分晶體 能，可看到晶格圖像 不包含結構信息，無法區分單晶多晶非晶
能否收集到樣品內部信息 可收集到樣品內部信息 只能收集到樣品表層信息
能否動態觀察 不能，樣品固定 樣品位置可以調節，可進行動態觀察
能否連續觀察 開始工作後倍率相對固定 開始工作後可進行從低倍到高倍的連續觀察