2第五讲-表层显微结构与形貌的显微镜分析.ppt

表层显微结构与形貌的显微镜分析 刘永利 ylliu@imp.neu.edu.cn 东北大学材料物理与化学研究所 第一部分 引言 光学、电子显微镜的分辨率极限 ?? Abbe 定律 Scanning Probe Microscope (SPM)  ——中国·北京中科奥纳科技有限公司 SPM: 特指80年代以来发展起来的一类nm量级的超显微分析手段 典型的SPM(扫描探针显微镜)的组成 SPM 技术的发展年表（已发展了20余种SPM) SPM 技术的发展年表（续） SPM 技术的发展年表（续） SPM 技术的发展年表（续） 1982年：世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM） IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制。 原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m。 STM与其他表面分析技术相比具有的独特优点： 1. 具有原子级高分辨率，STM 在平行和垂直于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.Inm 和 0．01nm，即：可以分辨出单个原子． 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。 4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 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。 5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等． 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． 1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 IBM 引领纳米技术二十年　　1981年　　IBM科学家首次发明“扫描隧道显微镜”。　　1986年　　IBM和斯坦福大学的科学家发明了“原子力显微镜”。　　1986年　　IBM科学家Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer因“扫描隧道显微镜”的发明而获得诺贝尔物理奖。 　　1988年　　IBM科学家从由扫描隧道显微镜激发的纳米尺度的局部区域观测到了光子发射，从而使发光及荧光等现象能够在纳米尺度上进行研究。 　　1989年　　IBM院士（IBM Fellow）Don Eigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I-B-M”3个字母。　　1991年　　IBM科学家演示了一个原子开关。　　1993年　　IBM和NEC的科学家分别发现了单壁碳纳米管及用金属催化剂生产它们的方法。　　1996年　　IBM科学家将STM操控技术首次延伸到了在室温下对单个分子进行定位。　　1996年　　IBM科学家用10个原子生成了世界上最小的算盘。　　1998年　　IBM科学家和合作伙伴发现了一个分子轮。　　2000年　　IBM及大学研究人员研制出了纳米机械传感器。　　　　 第二部分 STM物理原理Scanning Tunneling Microscope，STM 1. 扫描隧道显微镜STM 1. 扫描隧道显微镜STM 金属样品表面与探针界面的能级图 金属样品表面-探针界面的隧道效应 扫描隧道显微镜