交流电薄膜电化学制备STM针尖.PDFVIP

交流电薄膜电化学制备STM 针尖 06300190078 叶晓芊 摘要： 本实验利用交流电薄膜电化学制备STM 针尖，通过改变交流电压和薄膜下方钨 丝的长度，研究其对针尖形态的影响和原因，得到制备较好针尖形态的参数，并 用其中一根针尖作为SPM 中的探针，扫描得到可以辨认的一维和二维光栅图像， 最后对实验仪器进行了改进，发现薄膜厚度在交流电薄膜电化学法中起了最重要 的作用。 关键词： STM ，钨丝针尖制备，交流电电化学法，薄膜，装置改进 1. 引言 扫描隧道显微镜 （Scanning Tunneling Microscope,简STM ），是基于量子力学 中的隧道效应，通过对探针针尖与金属样品间的隧穿电流的检测，能够实现观察 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。针尖 iii 质量对STM 分辨率有很大影响，而针尖质量由针尖形态决定 。交流电薄膜电化 学法制备STM 针尖，装置简便易实现，而且钨丝材料成本低，因而在交流电薄 膜电化学腐蚀法用钨丝制备针尖的实验中，因此寻找能制成较好针尖形态的实验 参数是本实验的目的。 2. 实验原理 i 1）STM 的工作原理 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于表面边界之内。即，电 子密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为  10 A ，它是电子逸出表面势垒的量度。如果探针和待测样品互相靠得很近，那么， 它们表面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加一微小电压V ，那就 T 可以观察到它们之间的电流JT （隧道电流） J V eA s T T  式中A为常数，s为两金属间距离， 为样品表面的平均势垒高度。如果A 为s  的单位，则A=1 ， 的量级为eV，因此，当s变化1A （相当于原子数量级）时，JT 呈数量级变化，十分灵敏。 这样，当探针在样品上扫描时，通过检测探针针尖与样品表面间的隧道电流， 经反馈系统处理后控制针尖上下移动，使电流大小保持不变 （恒电流模式）。针 尖的运动数据经计算机处理后即可得到样品表面形貌变化的图像，据此可以分辨 1 / 6 表面上分立的原子，提示出表面上原子的台阶、平台和原子列阵。 2 ）电化学法原理制备STM 针尖： 阴极：6H2O 6e  3H2 g 6OH   阳极：W 8OH  WO2 4H2O 6e 4 总反应：W 2OH 2H2O WO2 3H2 g  4   电化学法对钨丝中间位置进行腐蚀，腐蚀到钨丝上下两段连接处足够细的程 度时，由下端钨丝重力作用分离上下两段，利用拉断瞬间的拉伸作用，形成针尖。 3 ）针尖质量判断标准： 决定STM横向分辨率的关键是探针大小和稳定性。分辨率   R R为针尖的曲率半径，也就是说针尖尖端参与隧道效应，即对隧穿有电流贡献的 ii 电子越少，则STM 的分辨率越高；还有针尖宏观形状的纵横比