掃描隧道顯微鏡的解析度為什麼比原子力顯微鏡大？
都是掃描探針顯微鏡，一個利用的是隧道電流，一個利用的是分子間作用力，但是為什麼原子力顯微鏡的解析度就會小很多呢？另外，除了原子力顯微鏡可以不局限於探測導體之外，在應用上有什麼特別細緻的劃分嗎？
沒用過STM，回答僅供參考。（圖多，流量預警。）
說一句題外話，原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM），通常情況下，並不是用來觀察極限解析度尺度樣品的。顯微鏡並非一定要使用最大解析度拍攝每張照片，所以不能用某一張圖片的解析度來代表機器的技術信息。
我所知道的信息中，STM可以掃描原子像，例如。Mesoscopic self-organization of a self-assembled supramolecular rectangle on highly oriented pyrolytic graphite and Au(111)
surfaces
STM的XY解析度大概在1nm左右。
STM的XY解析度大概在1nm左右。
但是，AFM其實也可以掃描原子像。
從上圖表中所給信息談談。
1，解析度
在XY方向上，STM和AFM的解析度是接近的，至少在Atomic Force MicroscopyBRUKER公司給出的產品信息上，二者的橫向解析度並未有顯著差異。Z方向上，AFM更勝一籌。
STM的掃描原理，限制了STM的樣品製備。
STM的掃描原理，是在探針和樣品之間施加偏壓，利用檢測隧穿電流的大小，反應樣品的形貌信息。所以，需要樣品是導電的材料，而且需要STM掃描的樣品在真空中進行，因為氣體分子也會影響原子間的隧道穿電流，還有一個最苛刻的條件，STM掃描樣品需要非常平，或者說， 只有非常平的樣品才能發揮STM的最大解析度。掃描Z方向的range和Z方向的resolution呈反向關。
STM的掃描原理，是在探針和樣品之間施加偏壓，利用檢測隧穿電流的大小，反應樣品的形貌信息。所以，需要樣品是導電的材料，而且需要STM掃描的樣品在真空中進行，因為氣體分子也會影響原子間的隧道穿電流，還有一個最苛刻的條件，STM掃描樣品需要非常平，或者說， 只有非常平的樣品才能發揮STM的最大解析度。掃描Z方向的range和Z方向的resolution呈反向關。
AFM對樣品的需求就寬鬆很多，樣品可以導電也可以不導電，樣品可以很平也可以不那麼平（Z軸掃描尺寸最大5微米，但一般遠達不到這個高度），掃描可以在真空、空氣和溶液中進行。舉個例子，如果想測試頭髮絲，就把頭髮絲用雙面膠粘貼到一個鐵片上或者玻璃片上，就可以測量。
3應用。
AFM的應用很多，我列舉一些。
3.2, 活體細胞測量
3.3, chemical force microscopy 測量兩個化合物之間的作用力
3.4, quantitative nanomechanical 測量樣品的形貌、模量、表面粘滯力、能量損失和形變數。
3.5, electric force microscopy 測量樣品表面帶電的電荷強度，或者說保有電荷的能力。
3.6, surface potential imaging 測量樣品的表面電勢，或者說電子溢出金屬的難易程度。
3.7, Piezo Response microscopy 壓電力響應
3.8, conductive AFM 測量樣品的導電性質，測量樣品的電阻。
3.9, scanning capacitance microscopy 掃描電容，測試樣品中的載流子密度。
3.10, scanning spreading resistance microscopy 擴散電阻，（這個不熟悉，沒用過。）
上述這些應用，STM做不了，AFM可以。
最後感謝BRUKER公司AFM培訓課程，上述圖片均出自BRUKER公司表面納米儀器部門。
先上一張STM的圖片，右上那個桶一樣的東西就是STM的真空腔體，裡面還有兩層杜瓦的。
先上一張STM的圖片，右上那個桶一樣的東西就是STM的真空腔體，裡面還有兩層杜瓦的。
試著來回答一下這個問題，非STM或AFM方向，我其實是做光學的，但是組裡有老師做這個，我也跟著做過懂一些操作，上面幾位的答案基本都把原理講清楚了，主要原因就是成像方式不同導致決定解析度的因素的多少不同。STM的圖像本質是由電子態密度的卷積得到的電流所獲得的，這個電子態密度決定於針尖原子和被掃描樣品的表面。STM有一種恆高度工作模式，就是保持針尖與樣品表面的高度不變通過電流大小的反饋控制針尖的位置，而這個電流十分敏感，約0.1納米的改變數就會造成電流大小數量級上的變化，換句話說在Z軸上，即針尖所在軸的解析度可以達到0.01納米的量級，而決定這個變化的因素一般就是針尖上的幾個原子。因此做STM一個好的針尖很重要，不好的針尖會帶來很大的「邊際效應」比如雙針尖或者圖像不連續出現重影等狀況。
AFM本質是相互作用力的大小，引力斥力都有，而且在相對範圍內的原子數量比STM要多得多並且參與AFM的成像，所以其解析度會相對低一些，但是AFM的適用範圍廣多了，而且做得好的納米級別的AFM也不是沒有。
原子力的解析度不低啊，不是能拍到氫鍵嗎？
直接說說科普的東西
SPM的特點
1、局域探針：探測樣品的局域特性、表面形貌、電子結構、電場、磁場等其他局域特性、
2、高解析度：STM x、y 0.1nm，Z 0.01nm
3、可在不同環境下成像：大氣、超高真空、溶液、低溫、高溫
4、對樣品無損傷、無干擾
5、實時、動態過程的研究：吸附、脫附、結構相變、化學反應
6、譜學特性測量：掃描隧道譜、力曲線等
7、原子及納米級操縱、表面改性
SPM結構
1、探針：STM金屬探針，AFM微懸臂、光電二極臂
2、機械控制系統：壓電掃描器、粗調定位裝置、振動隔離系統
3、電子學控制系統：電子學線路、介面，控制軟體
SPM針尖
1、STM針尖：W絲、Pt-Ir絲。超高真空一般用W絲，通過電化學腐蝕、高溫退火或原位處理以去除氧化層。大氣中一般用Pt-Ir絲，直接剪切製成。
2、AFM針尖：Si、SiN4材料，通過微加工光刻的方法製備。
粗調定位裝置的要求：
1、能把Tip從毫米距離逼近到距離樣品5nm範圍而不會撞針。
2、粗調進針裝置應有大的運動範圍和小到5nm的步進精度。
理想針尖模型
要求：1.解析度極大，所以針尖尺寸要小
2.探測表面信息，而不是針尖-樣品複合系統
在理想針尖模型下，STM探測的是樣品表面態密度在針尖位置處的值
實際上，STM得到的像，即有樣品表面電子態密度的信息，也有一部分針尖表面態密度的信息，如果樣品表面處有比針尖更小的尖銳處，則在該處得到的像大部分為針尖表面態密度的信息。
STM中，樣品加不同極性偏壓將分別反映樣品的價帶和導帶的空間分布。正偏壓下反應導帶、負偏壓下反應價帶。
掃描圖像與樣品的電子態有關係
STM成像有以下兩個結論：1、STM圖像不直接對應樣品原子位置。2、可以得到具有原子級空間解析度的譜信息。
STM成像的技術：
電壓相關的成像、調製技術、局域I-V測量
電壓相關的STM成像：
通過比較不同偏壓下恆電流形貌像而獲得，正偏壓反映樣品費米能級之上空的態密度，負偏壓反映樣品費米能級之下佔據的態密度。圖像的變化與表面電子態的能量和空間對稱性有關。
局域I-V測量：在一定偏壓範圍內測I-V曲線然後計算dI/dV。
AFM：力是長程作用，感受的範圍要大，故解析度不如STM。
AFM成像模式：
1、接觸模式：針尖一直接觸在樣品上。作用力：庫倫斥力，e-9~e-8m。優點：穩定，解析度高。
缺點：①粘附力：針尖移動有可能使樣品發生形變，產生假象。
②由靜電荷產生額外粘滯力，增加作用在樣品上的總力。
③針尖移動會產生壓縮力和剪切力，有可能破壞樣品。
④有可能污染、損傷針尖。
總結：不適合比較軟的或低彈性模量的樣品成像。
2、非接觸模式：針尖在樣品上方5-20nm處掃描，相互作用力為長程的范氏吸力。
優點：克服了接觸導致的問題。
缺點：①解析度低、②成像穩定性差，操作困難。
3、半接觸模式：Tip振蕩，振幅比較大，tip間斷地與樣品接觸，但接觸時間非常之短，由於針尖與樣品的相互作用力使tip的振幅、位相發生變化，以此成像。
優點：①高解析度。②接觸時間短，消除針尖移動產生的橫向力的影響。③振幅大，克服了粘附力的影響。④成像穩定性高。
小結：半接觸：較軟、易損傷、與基底結合鬆散的樣品成像，生物樣品、有機膜等。
接觸：較硬、不易損傷、與基底結合牢固的樣品成像。
非正式參考文獻以及老師推薦書
掃描探針顯微學 申自勇
《掃描探針顯微學引論》 陳成鈞
《掃描力顯微術》 白春禮
咩，自問自答一下子，現在在國外一個掃描探針顯微鏡組作PhD，剛進組不久，還是感覺半文盲狀態，如果說的不對，希望可以有知友來交流一下。組裡六台STM，三台AFM。STM 的課題全都和金屬還有半導體有關係，而AFM的課題是關於graphene和半導體的。
我是做STM的，從來沒有想過為什麼我不能用AFM研究我的課題（直到昨天。。。）當年老闆就是把我領到我的那台儀器面前，跟我說，喏，你就用這個STM吧。儀器很貴啊摔！隨便弄壞點什麼東西成百上千歐就嘩啦啦的流出去了啊！然後我今天查了一些資料。。。感覺自己博士讀的好水啊，最基本的東西都還要找資料，以後要加倍努力才好
STM 的缺點在於1：必須是導電樣品， 2， 應用環境苛刻，必須是高真空系統，這兩點樓上大神也提到了。3， 就是STM圖像，即使是原子級別的圖像，顯示的並不是真實的原子，而是原子的形貌外加電子結構的一種疊加。具體怎麼疊加的我也不懂，所以我們經常看著我做粗來的原子級別圖像，不知道到底看到的是哪一種原子。。。
而AFM,雖然根據原理來說，可以只顯示原子形貌，讓圖像分析變得簡單一些，但是想要得到原子級別的圖像會比較困難，也就是說想要得到相同的解析度，實驗者需要耗費比用STM 多好幾倍的時間，而且還需要運氣。組裡的另一個博士說，他得到第一幅原子級別的AFM 圖像是因為探針針尖吸住了一個原子，變得非常敏感才碰巧得到的。而探針這種小調皮是完全不受人意志控制的，他想不想吸一個原子，吸多久都是完全的巧合。而對於STM來說，想要得到原子級別圖像，調節一下隧道電流什麼的就可以輕易得到。這就是為什麼AFM和STM的概念基本是同時提出來的，但是得到AFM原子圖像比原子級別的STM圖像晚了很多很多年。所以我之前太淺陋了，這個題目就有問題。。。解析度應該是差不多的
另一個AFM的缺點在於，針尖和表面的力是非常複雜的，有斥力，也有引力，在長程和短程上的表現是不一樣的。。。蘭納——瓊斯那個曲線想必大家都很了解，就不列出來了。。。
暫時只想到這麼多，沒帶工作的電腦，就暫時掛張圖鎮樓好了~
圖片來自於Philip Hofmann的SURFACE PHYSICS 一書~b圖那些小點點，就是金原子咯
這是衍射光柵拍攝的指紋玻片原子視頻：衍射光柵它與隧道掃描顯微鏡的探針的差不多，只不過把探針換成直射的光線來探測樣體表面，這是原理不同，一個「隧穿效應」，另一個反射成像。
衍射光柵行成納米級光譜更好的提高解析度，經過反射成像來看樣本表面。通過觀察樣本表面，原子的電子像水波紋一樣運動，就像平靜水面丟個石子，泛起漣漪，無數的水波紋向四周做無窮大運動，最後消失，周而復始。視頻失真
stm表示不服氣，其實stm和AFM的解析度主要取決於你的壓電陶瓷的解析度，當然如果其他條件都相同的情況下，stm要比AFM的解析度要高，不過stm有一個天然的缺點，會破壞試樣表面，對試樣表面有傷害。其次stm對探針的傷害比較大。其他實驗室怎麼樣我不知道，我這邊的探針是將近300塊錢一根，AFM掃描20多個小時基本上就報廢了（還可以做掃頻等試驗，但是試樣掃描是不行了）。stm因為要接觸更可怕。
應該說用stm更容易得到高解析度，在空氣中隨便搞一塊石墨，用一個新的探針很容易得到原子像，而且質量通常很好。用afm的話，接觸模式得到晶格也不難，但是掃到點缺陷不是很容易，很久以前跟bruker的工程師聊過，他說他自己掃出點缺陷也不太難，重要的是用那種很短的探針，在溶液中掃輕敲模式，最近有時間的話打算試試。
問題錯誤
我就是做STM的，先佔個位，以後再寫。
推薦閱讀：