扫描隧道显微镜全解

扫描隧道显微镜（STM）ScanningTunnelingMicroscope——刘娟2014.05.08主要内容1234STM的发展过程STM的工作原理STM的工作模式STM的特点1STM的发展过程第三代——扫描隧道显微镜显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克。第二代——电子显微镜：1924年德布罗意指出，微观粒子除了具有粒子性外，还具有波动性，并且能量越大，波长越短。20世纪20年代末，鲁斯卡利用电磁场控制电子束的运动方向，将通过样品后带有其微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像，在1933年成功研制了世界上第一台电子显微镜。1•1981年，美国IBM公司葛·宾尼和海·罗雷尔博士发明了扫描隧道显微镜，针尖与样品间距1nm，横向分辨率可达到0.1nm，纵向分辨率可达到0.01nm。•这是目前为止能进行表面分析的最精密仪器，既可观察到原子，又可直接搬动原子。•国际科学界公认其为20世纪80年代世界十大科技成就之一。两位博士因此获得1986年诺贝尔物理奖。葛·宾尼（G.Binning）海·罗雷尔（H.Rohrer）STM的发展过程究现状1扫描隧道显微镜的出现，使人类能够实时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；扫描隧道显微镜因其可直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造成任何损伤，而被广泛应用于表面科学、材料科学、生命科学等领域，并成为纳米加工的关键技术。STM的发展过程2•在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时，粒子是无法越过势垒的。•量子力学中，粒子穿过势垒出现在势垒另一侧的几率并不为零，这种现象称为隧道效应或势垒穿越。•隧道效应是微观粒子(如电子、质子和中子)波动性的一种表现。•一般情况下，只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长可比拟时，才可以观测到显著的隧道效应。•隧穿过程遵从能量守恒和动量〔或准动量〕守恒定律。2.1隧道效应STM的工作原理经典力学量子力学不可穿透的势垒隧道效应图2经典理论和量子理论的差别2STM的工作原理2STM的基本原理是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(1nm)，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，隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Ø有关。加在针尖和样品之间的偏置电压A为常数，在真空条件下约等于112exp()bIVAS针尖和样品的功函数和的一半2.2基本原理STM的工作原理2根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。12exp()bIVASS减小0.1nmI增大10倍STM的工作原理3研究方法3.1基本结构(1)探针：探针最尖端非常尖锐，通常只有一两个原子。决定STM的横向分辨率。通常是Pt-Ir，通过电化学、剪切拨拉的方法制作。(2)压电三角架：在压电三角架上加电场，使压电材料变形，产生收缩和膨胀，其精度可达到每改变1伏，引发~10Å的膨胀或收缩来控制探针的运动。(3)减震系统：常采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂以及磁性涡流阻尼等三种综合减震措施。STM的工作模式3研究方法3.2扫描方式•移动探针或样品，使探针在样品上扫描。•根据样品表面光滑程度不同，采取两种方式扫描：恒流模式，恒高模式。STM的工作模式3研究方法•恒流模式：适用于表面较为粗糙，表面形貌起伏较大的样品；要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率。•恒高模式：扫描速度快，能减少噪音和热漂移对信号的影响，实现表面形貌的实时显示；要求样品表面相当平坦，起伏一般不大于1nm，否则探针容易与样品相撞。STM的工作模式4研究方法1.具有原子级高分辩率。横向：0.1nm,纵向：0.01nm。2.可实时得到在实空间中表面的三维图像；3.可以观察单个原子层的局部表面结构。优点:硅(111)面77原子重构象STM的特点4研究方法4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至水中也可以，而且对样品无损。5.可实现对原子和分子的移动和操控。STM的特点4研究方法1.样品必须具有一定的导电性；对于非导电材料，必须在其表面覆盖一层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等会影响分辨率。2.STM观察到的是对应于表面费米能级处的态密度。当样品表面存在非单一电子态时，STM得到的并不是真实的表面形貌，而是表面形貌和表面电子性质的综合表现。局限性：STM的特点4基于STM的基本原理，现在已发展起来了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如：原子力显微镜、扫描热显微镜、磁力显微镜、摩擦力显微镜、静电力显微镜、扫描电化学显微镜……这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度表现出的物理性质和化学性质。STM的特点谢谢大家！