第二、三讲 STM与其应用.pptVIP

第二讲 扫描隧道显微镜及其应用 第一讲中的主要内容 新课内容： 引子 扫描隧道显微镜的基本原理 扫描隧道显微镜不同条件下的应用 扫描隧道显微镜单原子操纵和纳米加工技术 第一讲中的主要内容 纳米(nanometer)的定义： 纳米是一个长度单位，1nm=10-9m 。 纳米科技(Nano-ST)的基本涵义: 在纳米尺度范围(10-10~10-7米，即0.1～100nm)内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。它所研究的领域是人类过去很少涉及的非宏观、非微观的中间领域。 纳米材料: 在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，一般范围在1～100nm。 1. 引言 在物理学、化学、材料学和生物研究中，物质真实表面状态的研究具有重要意义。常用的手段有： 光学显微镜：由于可见光波长所限，光学显微镜的分别率非常有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理论极限为200nm）。 扫描电镜：虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于高能电子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映“真实”表面状态，分辨率3nm。 透射电镜：虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是很薄样品的内部信息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。分辨率0.1nm。 针对这一问题，宾尼与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内，分辨率就达到了原子水平。分辨率0.01nm。 光学显微镜原理 蚊子头部的显微镜照片 电子显微镜的原理 欧泊的扫描电子显微镜图像，二氧化硅球体作六方最紧密堆积 粒状纳米碳酸钙粉体 纳米TiO2—云母的SEM分析 纳米TiO2—云母的SEM分析 纳米Fe2O3粉体SEM照片 电子显微镜的原理 石棉电镜照片1 石棉电镜照片 2 2、扫描隧道显微镜的基本原理 1982年，国际商业机器公司（IBM）苏黎世研究所的 Gerd Binnig和 Heindch Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明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。由于这一杰出成就，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。 “原子”汉字 STM的基本原理 STM的基本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近（一般为 0.5~l.0nm），所以它们之间的电子云互相重叠，其间的势垒变得很薄，。当在它们之间施加一偏置电压Vb时，电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品表面之间形成隧道电流。 STM的基本原理图 由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系，所以，电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.lnm，隧道电流 I将会增加 10倍；反之，如果距离增加 0.1nm，隧道电流 I就会减少 10倍。 由于STM具有极高的空间分辨能力（平行方向的分辨率为 0.04nm，垂直方向的分辨率达到 0.01nm），它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因为，在此之前人类无法直接观察物质表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。 STM的用途 利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。 STM扫描模式示意图 恒电流模式 恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。 恒高度模式 恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息（该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察