《[理学]扫描隧道显微镜和原子力显微镜课件 STM与AFM》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[理学]扫描隧道显微镜和原子力显微镜课件 STM与AFM（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope (STM)Introduction在科学发展史上直观地观察原子、分 子一直是人们长期以来梦寐以求的愿 望。在科学发展史上直观地观察原子、分 子一直是人们长期以来梦寐以求的愿 望。1982年年IBM公司苏黎士研究实验 室的公司苏黎士研究实验 室的Gerd Bining与与Heinrich Rohrer博 士研制出一种新型显微镜博 士研制出一种新型显微镜-扫描隧道显 微镜，终于使这一愿望成为现实。扫描隧道显 微镜，终于使这一愿望成为现实。原理原理经典电子理论：经典电子理论： 金属体内存在大量金属体内存在大量“自
2、由自由”电子，从经典物 理学来说，这些电子，从经典物 理学来说，这些“自由自由”电子在金属体内能量分 布如图所示。在绝对零度时，所有自由电子的 能量都小于费米能级电子在金属体内能量分 布如图所示。在绝对零度时，所有自由电子的 能量都小于费米能级EF,随着温度的升高，一部 分电了的能量可以大于费米能级，大于费米能 级的电子的数量随着温度的升高而增加，另一 方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一 个能量比费米能级随着温度的升高，一部 分电了的能量可以大于费米能级，大于费米能 级的电子的数量随着温度的升高而增加，另一 方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一 个能量比费米能级EF高的位垒，在金属内
3、高的位垒，在金属内“自 由自 由”电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能 从金属内部逸出到外部电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能 从金属内部逸出到外部。原理原理量子力学：量子力学：认为金属中的自由电子还具有波动性，这种 电子波认为金属中的自由电子还具有波动性，这种 电子波1 1向金属边界传播，在遇到表面位垒 时，部分反射为向金属边界传播，在遇到表面位垒 时，部分反射为R R，部分透过为，部分透过为T T。这样， 即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金 属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种 效应称为隧道效应。这样， 即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金 属表面位垒，形成金属表面上的
4、电子云。这种 效应称为隧道效应。Theory I: Quantum Barrier d/2 |x|for d/2 |x|for 0)(0VxV2 02/ )(2 )(EVmkeEPkdPotential barrierElectron (mass m, energy E) has finite probability of tunneling throughSchroedingers equation of motion0)(2)(0222 xuEVm dxxud Applied voltage bias, V Tunneling electron gains energy eV Number
5、 of electrons that can tunnel depends on occupation on each sideTheory II: Tunneling Currentmetal 1metal 2insulator z zE EspacekzzdEeVEfEfEPJconstant )()()(z隧道扫描显微镜的基本原理是基于量子的隧道效应。 将原子线度的极细针尖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 于隧道扫描显微镜的基本原理是基于量子的隧道效应。 将原子线度的极细针尖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
6、nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两 个电极之间的绝缘层流向另一个电极。），在外加电场的作用下，电子会穿过两 个电极之间的绝缘层流向另一个电极。 电流电流I、针尖与样品之间的距离、针尖与样品之间的距离S、平均功函数、 针尖和样品之间的偏置电压、平均功函数、 针尖和样品之间的偏置电压Vb：原理原理)exp()(21 SAVSIb隧道电流强度与针尖与样品表面之的距离非常敏感， 如果距离减小隧道电流强度与针尖与样品表面之的距离非常敏感， 如果距离减小0.1nm，电流将增加一个数量级。，电流将增加一个数量级。Si(7 X 7)表面单胞二聚体-吸附原子-堆积错位模型计算机模拟结果特点扫描隧道显微镜是
7、继透射电镜和场离子显微 镜之后具有原子级分辨率的新一代显微镜。与已 有的其它各种显微镜相比，它具有如下特性：（一）STM具有空前的空间分辨率，其横向与纵 向分辨率已分别达到0.1nm和0.01nm,完全可分 辨单个原子。（原子的典型尺寸为0.20.3纳 米）特点（二）STM得到的是实空间中表面的三维图像， 可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构观 察，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动 态过程的观察； （三）STM可得到表面单原子层的局域结构图 象，这对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表 面吸附物质的位置及形貌极其有效。 （四）STM在真空、大气、溶液等环境中都能保 持很高的分辨率，从而
8、可以实现近自然条件下对 样品表面的观测。这为生物样品的研究提供了新 途径。特点（五）STM对样品几乎无损伤，不要求特 别的样品制备技术。而且样品需求量很小 （毫微克），这为观测珍稀提供了便利。 （六）在超高真空条件下，STM不仅可获 得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱 （STS）研究表面的电子结构。这对表面 物理研究很有用途。Modes of OperationConstant-Current ModeConstant-Height ModeTip height is constant: an x-y scan reveals a topographic image of the surfa
9、ce. better vertical resolution slower scanning may yield overall drift in x-y scan can be used for surfaces that arent atomically flatTip height is kept constant and tunneling current is monitored. very fast scans, reduces image distortion lower vertical resolution allows study of dynamic processes工
10、作原理示意图工作模式在STM中把针尖装在压电陶瓷构成的三维扫描架上， 通过改变加在陶瓷上的电压来控制针尖位置，在针 尖和样品之间加上偏压V以产生隧道电流，再把隧道 电流送回电子学控制单元来控制加在Z陶瓷上的电 压，以保证在针尖扫描时样品针尖间距恒定不 变。工作时在X、Y陶瓷上施加扫描电压，针尖便在 表面上扫描。扫描过程中表面形貌起伏引起的电流 的任何变化都会被反馈到控制Z方向运动的压电陶瓷 元，使针尖能跟踪表面的起伏，以保持电流恒定。 记录针尖高度作为横向位置的函数Z（X、Y）就得到 了样品表面态密度的分布或原子排列的图像，这是 STM最常用的恒定电流的工作模式。它可用于观察表面形貌起伏较大的
11、样品，而且通过 加在Z方向陶瓷上的电压值推算表面起伏高度数值。在STM中把针尖装在压电陶瓷构成的三维扫描架上， 通过改变加在陶瓷上的电压来控制针尖位置，在针 尖和样品之间加上偏压V以产生隧道电流，再把隧道 电流送回电子学控制单元来控制加在Z陶瓷上的电 压，以保证在针尖扫描时样品针尖间距恒定不 变。工作时在X、Y陶瓷上施加扫描电压，针尖便在 表面上扫描。扫描过程中表面形貌起伏引起的电流 的任何变化都会被反馈到控制Z方向运动的压电陶瓷 元，使针尖能跟踪表面的起伏，以保持电流恒定。 记录针尖高度作为横向位置的函数Z（X、Y）就得到 了样品表面态密度的分布或原子排列的图像，这是 STM最常用的恒定电流
12、的工作模式。它可用于观察表面形貌起伏较大的样品，而且通过 加在Z方向陶瓷上的电压值推算表面起伏高度数值。工作模式STM的另一种工作模式为恒定高度模式， 如图。此时控制Z陶瓷的反馈回路虽然仍 在工作，但反应速度很慢，以致不能反 映表面的细节，只跟踪表面大的起伏。 这样，在扫描中针尖基本上停留在同样 的高度，而通过记录隧道电流的变化得 到表面态度密度的分布。一般的高速STM 便是在此模式下工作的。但由于在扫描 中针尖高度几乎不变，在遇到起伏较大 的样品表面（如起伏超过针尖样品间距 0.51nm），针尖往往会被撞坏，因此 这种模式只适宜测量小范围、小起伏的 表面。STM的另一种工作模式为恒定高度模式
13、， 如图。此时控制Z陶瓷的反馈回路虽然仍 在工作，但反应速度很慢，以致不能反 映表面的细节，只跟踪表面大的起伏。 这样，在扫描中针尖基本上停留在同样 的高度，而通过记录隧道电流的变化得 到表面态度密度的分布。一般的高速STM 便是在此模式下工作的。但由于在扫描 中针尖高度几乎不变，在遇到起伏较大 的样品表面（如起伏超过针尖样品间距 0.51nm），针尖往往会被撞坏，因此 这种模式只适宜测量小范围、小起伏的 表面。STM ImagesIron on copper: patterned assembled using STM tipStanding waves caused by defects
14、in copperImage from an STMIron atoms on the surface of Cu(111)STM存在的问题在V在Vb b和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样 品表面位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样 品表面位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S的变化，因而也引起控制针尖高度的电压Vz z的变 化。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
15、子的起伏，而是表面 原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效 果。STM不能区分这两个因素。的变 化。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和各自态密度组合后的综合效 果。STM不能区分这两个因素。 利用表面功函数，偏置电压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。利用表面功函数，偏置电压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。继继STM之后，各国科技工作者在之后，各国科技工作
16、者在STM原理基础 上又发明了一系列新型显微镜。如原子力显微镜 （原理基础 上又发明了一系列新型显微镜。如原子力显微镜 （AFM）、摩擦力显微镜、静电力显微镜、扫描 热显微镜、弹道电子发射显微镜（）、摩擦力显微镜、静电力显微镜、扫描 热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫 描隧道电位仪（）、扫 描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜 （）、扫描离子电导显微镜 （SICM）、扫描近场光学显微镜（）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和 光子扫描隧道显微镜（）和 光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。这些新型的 显微镜可获得）等。这些新型的 显微镜可获得STM不能得到的有关表面的各种信 息，对不能得到的有关表面的各种信 息，对STM的功能有所补充和扩展。的功能有所补充和扩展。AFM 基本原理基本原理LaserSampleXYZ Piezoelectric Scann
