第九章-扫描探针显微分析技术.ppt

第九章 扫描探针显微分析技术 一. 绪论 二. 扫描隧道显微镜（STM） 三. 原子力显微技术（AFM） 四. 磁力显微技术 一. 绪论 社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。 微观世界的探索 第一代为光学显微镜 1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具 . 第二代为电子显微镜 20世纪三十年代早期卢斯卡（E.Ruska）发明了电子显微镜，使人类能”看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。 第三代为扫描探针显微镜 也可简称为纳米显微镜。1981年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格、应奎特发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。 三种观察原子的方法比较 ? TEM X—衍射 STM/AFM 空间分辨率 1--10? 1 ? 1 ?（Z：0.1 ?） 样品制备测量条件 超薄切片真空 结晶样品mg级量 近自然、液体μg--ng 结构信息 2维 平均结构参数，三维内部结构 单个分子结构、局域结构、表面三维结构 图像 直观 拟合、重构 真实、直观 2.1 扫描隧道显微镜（STM）的基本原理 2.2 STM两种扫描模式 2.3 STM的优势、局限性与发展 二. 扫描隧道显微镜（STM） 利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。隧道电流 I 与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数Φ 有关： 扫描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导电性才可以产生隧道电流。 2.1 扫描隧道显微镜（STM）的基本原理 隧道电流是间距的指数函数； 如果针尖与样品间隙（?级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。 STM的针尖~样品相互作用示意图 2.2 STM两种扫描模式 恒定高度模式－检测隧道电流变化 恒定电流模式－检测高度变化 两种模式各有利弊。恒高模式扫描速率较高，因为控制系统不必上下移动扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面。恒电流模式可以较高的精度测量不规则表面，但比较耗时。 扫描隧道显微镜(STM) 在研究物质表面结构、生物样品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等，都可利用扫描隧道显微镜(STM)仪器。 有严重缺陷的高分子镀膜 ? 2.3 STM的优势、局限性与发展 在扫描隧道显微镜(STM)问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。而扫描隧道显微镜(STM)则是对样品表面进行无损探测，避免了使样品发生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。 另外，任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而扫描隧道显微镜(STM)则能够轻而易举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分辨率。 瑞士苏黎世研究实验室的宾尼格(G．Binnig)和罗赫(H．Rohrer)发明的扫描隧道显微镜(简称STM)，在技术上实现了对单个原子的控制与操作。为此，他们与显微镜发明人鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。 扫描隧道显微镜下原子的镜象 在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，而且还关系到电子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值 。 扫描隧道显微镜(STM)在化学中的应用研究虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。因为扫描隧道显微镜(STM)的最早期研究工