37-38 扫描隧道显微镜教学讲义.ppt

扫描隧道显微镜 STM(Scanning tunneling Microscopy) ;15.1 引言;;常用分析测试仪器的主要特点及分辨率;其它测试方法的局限性： 1） 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）可以达到原子级的分辨率——0.1 nm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件． 2） 场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只能探测半径小于 100 nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限. 3）X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究．;STM的技术优势;2) 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究． 3) 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等． ;硅111面7? 7原子重构象 为了得到表面清洁的硅片单质材料，要对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。;液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。;6)利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础．;STM移动原子形成“IBM”的过程;6) 在技术本身，STM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时STM的日常维护和运行费用也十分低廉. ;STM 的局限之处： 1） 在STM恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能准确探测。; 15.2 扫描隧道显微镜的原理 STM的基本原理是利用???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1 nm)，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个电极，这种现象称为隧道效应。 在量子力学中，隧道效应是粒子波动性的直接结果。当一个粒子进入到一个势垒中，势垒的势能比粒子的动能大时，根据量子力学原理，粒子穿过壁垒而出现在势垒的另一边的几率不为零，而经典力学给出的几率则为零。;经典理论和量子理论的差别;粒子穿透厚度为Z的势垒区的几率P:; STM工作时，在样品和针尖加一定电压，当样品与针尖间的距离小于一定值时，由于量子隧道效应，样品和针尖间产生隧道电流。 在低温低压下，隧道电流I可近似表达为：; 隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感。 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。 ;15.3 扫描隧道显微镜的工作原理 ;;根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同 STM的工作原理可分为：1）恒电流模式 2）恒高度模式 恒电流模式 当针尖在样品表面扫描时，由于样品表面高低起伏，势必引起隧道电流变化。利用电子反馈电路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏。记录下针尖的运动和隧道电流的变化并在荧光屏上显示出来，就得到了可以反映样品表面结构的高分辨图象。另一方面，利用STM针尖与分子或原子的相互作用，我们还可以对原子和分子进行操纵或加工。 恒电流模式是目前STM仪器设计时常用的工作模式，适合于观察表面起伏较大的样品。;恒高度模式 若控制针尖在样品表面某一水平上扫描，则随着样品表面高低起伏，隧道电流不断变化，通过记录隧道电流的变化，可得到样品表面的形貌图。 恒高度模式适合于观察表面起伏较小的样品，一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品，但是，恒高度模式下，STM可进行快速扫描，而且能够有效减少噪音和热漂移对隧道电流信号的干扰，从而获得更高分辨率的图像。;STM仪器的结构 1) 振动隔绝系统 2) 机械设计 3) 电子学线路 4) 针尖制备 5) 计算机控制系