ChapterScanningProbeMicroscope.ppt

主 要 内 容 扫描探针显微镜的产生 扫描探针显微镜的原理与特点 扫描探针显微镜的应用 存在的问题及其展望 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。 工作原理——量子力学的隧道效应 STM 结构及原理（电子云概念） 隧道电流的变化曲线 2、可实时地空得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。 应用：可用于表面扩散等动态过程的研究。 STM仪器 STM是近场成像仪器，它基于原子级锐利的探针和样品表面之间的遂穿原理而运作。通过遂穿过程中针尖在表面上横向扫描，以恒流或恒高模式得到表面的原子像。 准确稳定的隧道结；要求具有很高的机械稳定性；热漂移必须补偿；具有高的抗震动和抗冲击的隔离性能。 STM主要利用压电器件进行细微调节，可以从0.5nm到几十微米。为了保证0.01nm的扫描精度，扫描电压的精度必须在3mv以上。 STM的仪器原理框图 针尖 STM能达到的横向分辨率，直接与针尖所具有的原子级的锐度有关。 表面起伏不平的振幅由下式给出。Δ正比于exp（－β（R+d），d为间隙距离，R为针尖半径，β为逆衰减长度。 针尖表面的材料很重要，因为对谱的分析依赖于针尖和样品之间的联合态密度。 Pt，Pt-Ir，W等材料。 样品的制备 导电样品：表面光滑，清洁 关于生物材料的样品制备? 人们发现即使这些材料本质上是非导体，但是当它们被置于一个导电培养基上的薄膜时，微弱的隧道电流出现了。在培养基上得到图片的原理还不甚清楚，但是有人认为培养基和上面的分子形成了一种混合状态，该状态是活泼的能量态和可以映射被吸附物的分子几何图象的电子分布状态的合成。 STM的实验中，用于培养基的最普通的材料是石墨，其他的层状物质如MoS2，WS2，云每等也可轻易地制备用来进行STM研究。 STM的应用微电子学研究 微电子器件的制造过程中 能在不接触表面的情况下绘制出电子元件表面图象，不论这些元件的组成成份如何，这对监督和改进亚微米集成电路的工艺具有突出的作用。 具有不损伤器件的特点以及高的空间分辨率 基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术（Nanolithography）。 这种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。目前刻蚀图形的线宽约为10nm。 日本NEC公司已研制出超高密度记录技术，其记录密度为目前磁盘的3000倍。 若将STM刻蚀技术与分子束外延薄膜生产技术相结合，即可用于制造三维尺寸均的纳米级的量子器件。 例如利用砷镓和砷铝镓多层分子束外延薄膜材料加上纳米刻蚀，即可构成电或光的量子器件。这将对微电子、激光技术和光电技术带来革命性的影响。 特点和应用 与其它表面分析技术相比，STM有许多优点。 它由于原子级分辨率，平行和垂直于表面方向的分辨率分? 别高达0.1nm和0.01nm，即可分辨出单个原子。 它可以得到单原子层表面的局部结构，可以直接观测? 到局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。 在获得样品表面形貌的同时，也可得到扫描隧道谱，可用于研究表面的电子结构等。 STM可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于研究具有周期性或不具备周期性的表面结构，非常有利于对表面反应、? 扩散等动态过程的研究。? STM的优势 STM具有极高的分辨率，它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。 ? STM得到的是实时的，真实的样品表面的高分辨率图象，而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构?也就是说，STM是真正看到了原子。 STM的使用环境宽松，电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试，而STM既可以在真空中工作，又可以在大气中，低温，常温，高温，甚至在溶液中使用，因此STM适用于各种工作环境下的科学实验。 STM的应用领域是宽广的，无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料，微电子等应用学科都有它的用武之地。 ?STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的，这对于STM的推广是有好处的。 STM的为现代科技在微观领域的突破提供了必要的工具，为纳米科技的兴起创造了条件。 STM发展的里程碑 ※1989年，美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字; ※1990年，美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”; ※1991年，碳纳米管被人类发现; ※1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字; ※1999年，中国科学院上海细胞生物学研究所的科研人员应用扫描隧道显微镜的方法首次观察到HMG(1+2)与负调控区结合后的三维构象。 ※ 1999年，应用扫描隧道显微镜的必威体育精装版方法进行生命