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清华大学化学系 表面与材料实验室 材料分析化学第9讲扫描探针显微镜 朱永法 清华大学化学系 2005.11.21 扫描探针显微镜 Scanning Probe Microscope，SPM 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope, STM 原子力显微镜 Atomic Force Microscope, AFM 激光力显微镜（LFM） 磁力显微镜（MFM） 静电力显微镜 扫描热显微镜等 发展历史 1972年发展了场发射形貌仪，针尖离样品表面10nm，高偏压，测量场发射电流； 1982年解决了维持狭缝稳定的技术；高分辨定位和扫描技术；针尖与样品距离控制技术。 1982年第一台扫描隧道显微镜问世。它的问世，使人们第一次能够实时地观察到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，对表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔的应用背景，被科学界公认是表面科学和表面现象分析的一次革命。 扫描探针显微镜原理 控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到样品表面的相关信息。 显然，利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的尖锐度） STM的特点 可以在环境气氛下进行如：大气，真空，溶液，反应性气氛等； 可以从低温到高温进行分析 可以获得原子级别的空间分辨率； 原子操纵工具，组装纳米结构 配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关表面结构的信息； STM原理遂穿过程 扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应。隧道效应是微观例子波动性的表现； 将原子线度的极细针尖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0.1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两 个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。 隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离小于0.1nm，电流将增加一个数量级。 隧道效应 根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁? 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流? 之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样? 隧道电流有一种特殊的性质，即对两导体之间的距离非常敏感，如果把距离减少0.1纳米，隧道电流就会增大一个数量级。 STM原理 如图1所示，一个原子级锐利的针尖，相对于样品加一偏压，并位于样品表面《1纳米处。由于穿过缝隙区域的真空势垒产生电子遂穿，在样品和针尖之间产生一个纳安级的电流。该电流随狭缝间距的增加，以指数形式降低。 针尖的运动由在三个方向上的压电传感器控制，通过在传感器上加一定的电场，使之发生变形来推动针尖的移动。基本上每增加1V，就可以产生1nm左右的膨胀和收缩，从而使针尖在纳米量级移动。 假定电子态局域在每一个原子的位置上，则测量在表面上扫描的针尖的信号就可以给出表面原子结构图。 STM原理-模式 结构可以用恒定电流模式画出，这时记录的是受反馈控制的针尖的上下运动，而在每一个x－y位置上，隧道电流恒定不变。 结构也可以用恒定高度模式画出，这时记录的是隧道电流随位置的变化，而针尖在表面之上保持恒定高度。 恒高模式在高速扫描时使用，但要求表面很光滑时才能使用。对于粗糙表面的形貌，需要采用恒流模式，扫描速度较慢。 STM仪器原理 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜又叫STM，它的基本工作原理是利用探针与样品在近距离（0.1纳米）时，由于二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感； 当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化； 控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像? 遂穿电阻和电流 偏压极性对STM图像的影响 隧道电流是由电子是从满态（或能带）过渡到未占态（或能带）产生的。 隧道电压的方向决定了电子是从样品流向针尖还是从针尖流向样品。 下图是相反偏压下的GaAs(110)表面上的STM像。 由于接收隧道电子的局域原子轨道不同，正偏压像与负偏压像发生了位移。一个填满的孤对能带局域在As原子处，而未填充态与Ga原子相伴随。 当偏压为＋1.9V的针尖越过As原子时，隧道电流达极大；而当偏压为－1.9V的针尖越过Ga原子时，隧道电流也达到极大。若针尖停留在某一位置扫描，则针尖偏压就可以测出样品和针尖的局部态密度。 偏压极性影响