本文主要内容来源于V. L. Mironov 的“Fundamentals of scanning probe microscopy”。根据个人对SPM的理解略有改编。
一、引言
扫描探针显微镜(scanning probe microscopy , SPM)是研究固体物质微观形貌和局域性质的一种科研仪器，它具有非常高的空间分辨率。近一二十年来，应用领域越来越广泛，从只有少数科研人员掌握的尖端科研仪器逐步成为了实验室的常规实验仪器。现如今，研究表面物理和薄膜材料的科研人员没有不知道SPM的。在生物科学领域的应用也逐渐成为了热点。在SPM 的基础上还发展了一系列的纳米科技新技术、新方法，比如纳米压印，纳米组装。
扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope , STM)是SPM家族的第一个成员，由瑞士科学家 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 发明于1981年。在利用STM观察到一系列导电材料表面的原子排列图像后，尤其是观察到了硅表面原子像（7x7重构）后，G.Binnig 和H.Rohrer 由于发明了扫描隧道显微镜而获得了1986年的Nobel 物理学奖。
在扫描隧道显微镜发明之后，原子力显微镜(atomic force microscope , AFM)、磁力显微镜(magnetic force microscope, MFM)、静电力显微镜(electric force microscope , EFM)、扫描近场光学显微镜(scanning near-field optical microscope, SNOM) 等一系列相似工作原理的显微设备相继被发明出来，之后他们被统称为扫描探针显微镜（SPM）。现在扫描探针显微镜已经成为一个庞大的家族，并且还在不停的涌现着新的成员和技术。
二、扫描探针显微技术
2.1. 扫描探针显微镜的工作原理
扫描探针显微镜利用一根探针作为传感器来检测待测样品表面的微观结构和局域性质。为了达到纳米级的空间分辨率，探针的尖端非常的尖锐，尖端的曲率半径可以做到几十纳米量级。扫描探针显微镜工作时，探针—样品间距一般被控制在0.1到10纳米之间，不同的工作模式下探针—样品间距略有不同，用来检测、控制探针—样品间距的物理机理也不同，比如扫描隧道显微镜利用金属探针与导体样品间隧道电流与探针—样品间距之间的依赖关系来确保探针在合适的高度。我们在这里只讨论探针样品间距控制的共性问题。
设探针样品相互作用可以用参数P来表示，如果参数P与探针样品间距z的依赖关系是单调的并且足够的灵敏 P = P (z) ，那么P 就可以用来作为探针样品间距控制的依据。扫描探针显微镜探针样品间距控制的原理框图如下图所示。
图 1 扫描探针显微镜探针样品间距控制的原理框图
反馈控制系统维持参数P恒定为P0，P0 对应一个用户期望的探针样品距离，由用户设定。如果探针样品距离Z发生了变化，则参数P会改变ΔP 。反馈控制系统用一个Z向压电运动部件来控制探针样品间距。反馈控制器根据ΔP的大小来调整压电运动部件的输入电压，最终使得ΔP趋于0。利用这种方式可以将探针样品间距控制在一个非常高的精度。现有的探针样品间距控制精度在0.01Å这个量级。当探针在样品表面扫描时，由于样品表面形貌起伏，探针样品间距会不停的改变，相应的参数P也会不停的变动。反馈控制系统的任务就是不停的调整压电运动部件的伸长量以维持探针样品间距恒定（也就是维持P=P0）。如果反馈系统性能足够好，我们可以认为在探针沿着样品XY方向扫描时，探针样品间距是恒定的。Z向压电运动部件的位移V(x,y) 就反映了样品表面的高低起伏，可以用来形成SPM 形貌扫描图像。探针沿XY方向的扫描是如下方式进行了，首先探针沿一条直线扫描（线扫描），一行扫描完成后探针再退回这行的起点，之后探针移动到下一行的起点进行下一行的扫描，如此反复直到获取完整幅扫描图像。除了记录样品表面的形貌之外，利用探针样品间的各种相互作用，还可以获得样品表面各处的其他性质，比如力学、电学、磁性、光学等特性。
2.2. 扫描器 (scanners)
从上面的介绍可知，扫描探针显微镜需要一个可以XYZ三个方向运动的扫描器，并且扫描器运动的精度非常高。通常这个三维扫描器由压电材料构成，称之为压电扫描器。当给压电材料某一特殊方向施加电场时，压电材料会发生变形，这个效应称之为逆压电效应。压电晶体的逆压电效应可以用如下公式表示：
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