第5讲扫描探针显微镜学案.pptxVIP

第五讲 扫描探针显微镜 中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 主 讲：周聪华 2015-5-6 Company Logo 内容提要 一、概述 表面物理研究 二、扫描隧道显微镜 2.1 仪器简介 2.2 工作原理 2.3 仪器结构 2.4 典型应用 2.5 ＳＴＭ特点 三、原子力显微镜 ３.1 仪器简介 ３.2 工作原理 ３.3 工作模式 ３.4 典型应用 ３.5 ＡＦＭ特点 四、 参考文献与课后习题 Company Logo 一、 概述 表面物理研究 原子排列周期性被中断： 晶体中原子排列的周期性在垂直于表面的方向上于表面处突然中断，使表面几层的原子所受内外两侧的力失去平衡，通过自给作用达到新的平衡后，表层原子的键长和键角均与体内不同（表面弛豫和表面重构） 电子结构的改变 表面 晶体 晶体是由原子在空间上有规律地周期性排列（长程有序）而构成的----布喇菲格子。 典型的晶体结构：SC, FCC, BCC, HCP等 Company Logo 表面物理学 表面物理学：是20世纪60年代以后固体物理学中的一个重要而且发展极为迅速的领域。 表面物理：固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质。 研究条件：表面物理学研究在超高真空下（10-10 Torr），这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。 表面分析技术: 利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术 一、 概述 表面物理研究 Company Logo 表面结构 指固体表面几个原子层中原子的排列情况。包括表面单位网格的形状和大小，取向，表面单位网格中原子的数目和相对位置（键长和键角等），最外层原子与第二、三……层原子的距离以及表面各层中原子的种类和排列状况等。 G. Binnig and H. Rohrer. 7 x 7 reconstruction on Si(111) resolved in real space. Phys. Rev. Lett. 50, 120-123 (1983) Company Logo 表面结构研究方法 扫描探针显微镜 扫描电子显微镜（SEM） 原子力显微镜 （AFM） 扫描隧道显微镜（STM） 表面形貌 表面原子成像 Scanning electron microscopy Atom force microscopy Scanning tunneling microscopy Scanning probe microscopy Company Logo 二、 STM 2.1 STM简介 1982年 葛-宾尼 和 海-罗雷尔 IBM瑞士苏黎士实验室 Company Logo STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域有广泛应用 被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一 1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理奖 二、 STM 2.1 STM简介 Company Logo 隧道效应 对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。 2.2 STM工作原理 Company Logo 隧道效应 粒子有一定概率“隧穿势垒” 2.2 STM工作原理 隧穿概率与电子能量、势垒高度、势垒宽度有关 Company Logo 透射系数T： T 决定于 势垒宽度a，粒子能量E 、势垒高度V0 以及粒子质量m 。 随着势垒宽度a 增加，T 呈指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。 隧道效应 2.2 STM工作原理 Company Logo （隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流） 隧道效应 扫描隧道显微镜的基本原理： 将原子尺度探针和被研究物质表面作为两个电极，当两者间距很小 (1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒层流向另一电极。 从而形成隧穿电流 基本原理 2.2 STM工作原理 Company Logo 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均