第十一讲扫描探针显微分析.pptVIP

△XYZ位移器（样品位置细调〕微小距离移动的精确控制△样品粗调使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离(10-100μm)调整到100?量级爬虫（Louse）结构精细螺旋机构△防震系统分析使由振动引起的隧道距离变化?0.001nm(振动：针对重复性、连续的，通常频率在1－100Hz)STM??结构*第30页，共55页，星期日，2025年，2月5日STM??工作模式STM有两种工作方式。一种称为恒电流模式:利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。*第31页，共55页，星期日，2025年，2月5日STM??工作模式另一种工作模式是恒高度工作:在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离s将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名扫描隧道显微镜的原因。*第32页，共55页，星期日，2025年，2月5日1．表面形貌测量及其分辨率假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与R、s和k有如下近似关系：R：针尖半径S：针尖至表面距离若R=3?,s=2?,k=1?-1则δ≈1.6?(分辨率)只有在表面各处逸出功相同时，针尖在z方向的位移才表示样品外形的起伏。K=φ=(1/2)(φ1+φ2)扫描隧道显微镜的应用*第33页，共55页，星期日，2025年，2月5日2．逸出功的测量由I∝exp[-2ks]ΔI/I=-2kΔsΔI/Δs=2Ik若I保持不变则：dI/ds∝k∝φ1/2工作方式：扫描中保持I不变，使s有一交流调制，dI/ds随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。3．扫描隧道谱(STS)在表面的某个位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随x,y的变化，得扫描隧道谱象。表面的电子性质和化学性质表现在I-V和dI/dV－V曲线中。*第34页，共55页，星期日，2025年，2月5日STM??应用说明水平分辨率:0.1nm；纵向分辨率:0.001nm如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时STM给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子各自态密度组合后的综合效果。在Vb和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针高度（Vz）的变化。STM不能区分这两个因素，但用STS方法可将此两因素区分开来。利用表面功函数、偏置电压Vb与隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量。*第35页，共55页，星期日，2025年，2月5日特点：△能测量绝缘体的表面形貌(STM不能)△测量表面原子间的力测量弹性、塑性、硬度等原子力显微镜(AFM)

AtomicForceMicroscope*第36页，共55页，星期日，2025年，2月5日Binnig,Quate,和Gerber等人1986年在斯坦福大学发明了新一代SPM--原子力显微镜（AFM）。当时的AFM横向分辨率已经可以达到2nm，纵向分辨率为0.01nm，这样的分辨率超过了普通扫描电子显微镜。而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜要小的多。*第37页