扫描隧道显微镜 (STM)Scanning Tunneling Microscope一、简介二、基本原理三、STM的结构及关键技术四、应用1．表面形貌测量及分辨率2．逸出功的测量3. 扫描隧道谱 (STS),五、原子力显微镜（AFM）1．特点2．工作原理 3．结构及关键技术Δ 力传感器Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举 六、扫描探针显微镜（SPM）,一、简介1．从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→ STM分辨 200nm 几个nm Å2．原理3．独特优点：Δ 观察表面形貌达原子分辨Δ 无需任何透镜，不存在象差 Δ 可在各种条件下测量：真空、大气、水、油及液氮中Δ 广泛的应用：形貌、表面电位、电子态分布原子力显微镜及原子探针显微镜 纳米技术、表面微细加工、搬动原子1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer),二、基本原理1．隧道电流隧道结电流密度（对两平行金属）s：有效隧道距离VT：所加电压ko：ko = φ：有效势垒高度 φ＝1/2 (φ1+φ2)eV对于真空是几个电子伏对氧化物小于1电子伏,I-s有指数关系：I ∝ exp[-2kos]隧道电流在10－9－10－6 A量级 当s增加Δs时：I ∝ exp[-2kos]·exp[-2koΔs]设 Δs =1 Å，ko≈1 Å－1 (φ∼5eV)则 exp[-2koΔs] = e－2 ≈ 1/8即：当s增加 1Å 时，I将减少一个数量级。
2．工作模式△ 恒高模式用隧道电流的大小来调制显象管的亮度△ 恒电流模式用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变(保持隧道电流不变)，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象精度控制估算：由 I ∝ exp[- 2 kos]lnI = - 2 kos + 常数两边微分 ΔI/I = - 2 koΔs若保持隧道电流 I不变ΔI/I 在±2％之内 （电路控制可达精度）设 ko≈1Å －1，则 Δs ≈ 0.01 Å表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01 Å,三、扫描隧道显微镜的结构1. 技术关键△ 微小距离的移动及控制－压电陶瓷位移灵敏度在 5Å /V 量级STM针尖半径R 3-10 Å针尖与表面距离 2-5 Å △ 防震,2.结构三维控制的压电陶瓷：Px和Py上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅扫描利用隧道结电流I反馈，控制加于Pz上的电压来控制s，以保持I不变如s↗ → I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长 → s↘VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线△ 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 Å 量级－ 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 0.001 nm(振动：针对重复性、连续的，通常频率在1－100Hz),四、扫描隧道显微镜的应用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 ko 有如下近似关系： R：针尖半径S：针尖至表面距离若 R = 3 Å, s = 2 Å, ko = 1 Å -1则 δ≈1.6 Å (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Ko = φ = (1/2)(φ1+φ2),2．逸出功的测量由 I ∝ exp[- 2 kos]ΔI/I = - 2 koΔsΔI/Δs = 2Iko若I保持不变则：dI/ds ∝ ko∝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 曲线中应用举例： Si (111) 面的 7×7 结构,STM,△ 水平分辨率: 0.1 nm纵向分辨率: 0.001 nm,△ 信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布采用特殊的工作模式,可把后两者信息提取出来。
△ 对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量,五、原子力显微镜(AFM)Atomic Force Microscope1．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,2．AFM 的结构及工作原理,微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖针尖与表面轻轻接触(斥力:10－8－10－6N)样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定(样品与针尖间距离不变)测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品形貌信息利用了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移检测,3. 结构及关键技术（振动隔离及样品移动等与STM相同）,（1）AFM 微悬臂位移的检测方法 要求：有纳米量级的检测灵敏度测量对悬臂产生的作用力小到可忽略 方法：隧道电流法（用STM）光学检测法:干涉法 光束反射法电容检测法,隧道电流法（用 STM）,光束反射法,(2)力传感器( 微悬臂和针尖 )△ 低的力弹性常数△ 高的力学共振频率△ 高的横向刚性△ 短的悬臂长度 △ 带有镜子或电极△ 尽可能尖的尖端,利用弹性元件形变F = kΔz(虎克定理)F很小，k和Δz也必须小但k小不符合刚性原则，因此在降低k的同时，也要减小M。
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kgfd = 2kHzk = 2×10-2 N/m因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm则有：F = kΔz = 2×(10－14－10－16)N,用简洁的语言或图示的方法说明 STM与 AFM工作原理之间的差别,△ 绝缘样品、生物样品形貌测量,4. 应用例举,△ 弹性和塑性测量,△ 表面原子间力的测量,扫描探针显微镜(SPM)在STM基础上发展起来AFM与样品有轻微接触(斥力状态)，使样品有损伤SPM：压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强迫振动，利用样品与针尖在10-100 nm 范围内的长程力(如吸引的范德瓦尔力、磁力、静电力等)，改变微悬臂的振动情况，为保持振动情况不变所加的信号反映表面起伏激光力显微镜（LFM） 扫描热显微镜磁力显微镜（MFM） 扫描隧道电位仪静电力显微镜（EFM） 光子扫描隧道显微镜弹道电子发射技术 扫描近场光学显微镜扫描离子电导显微镜,,搬迁分子、原子,单原子器件,纳米级加工与测量,优点： 高分辨率 实时动态过程检测 样品可以是晶体，亦可为非晶结构 无需特殊制样技术 对样品几乎无损伤局限性： 表面起伏<1nm 不能观测样品内部,。