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1、Scanning Tunneling Microscope (STM),扫描隧道显微镜,发明背景,1,2,3,4,新型 显微镜,STM 发明,工作原理,扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上的进化。扫描隧道显微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术了，只是分辨率较低。表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类： 第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉成像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。 第二类是对试件表面进行扫
2、描，逐点检测，从而获得表面微观形貌的信息。这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显微镜（SEM）,1.光学显微镜,光学显微镜是在光学放大镜基础上发明的，放大镜的物体形貌分辨率可达到0.1mm。1665年发明了光学显微镜，它可将被测物体放大数百倍。光学显微镜经过多次改进，现在的放大倍数达到1250倍。如果再采用油浸镜头或用紫外光，放大倍数还能在提高一些。光学显微镜使用方便，应用广泛，但受光波波长的限制，放大倍数无法再提高。,2.透射电子显微镜（TEM）,TEM出现在20世纪30年代，到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静电
3、或磁透镜代替光学玻璃透镜，最后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高，点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。,TEM是通过电子束透过试件而放大成像的，电子束穿透材料的能力不强，故试件必须做得极薄，加工这种极薄的试件有相当难度，故TEM的适用范围有限。,3.表面轮廓仪,用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术的提高，现在的测量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖曲率半
4、径在0.05um左右，这就限制了测量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容易划伤试件。,一些新式的轮廓仪配备了X、Y双向精密微动工作台，探针在试件表面进行X、Y双向往复扫描，再用计算机处理信息，可以得到表面微观形貌的三维立体图像。这种轮廓仪的检测原理和近代的STM、SPM和AFM极为相似，只是后者使用了更尖锐的探针和更灵敏的探针位移检测方法。,4.扫描电子显微镜（SEM）,SEM从20世纪60年代开始应用以来，使用日渐广泛。它的工作原理是利用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描，激发二次放电，利用二次放电信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。 SEM的放大倍
5、率在10-150 000范围内连续可调，试件在真空室中可按观察需要进行升降、平移、旋转或倾斜。,SEM在普通热钨丝电子枪条件下，分辨率为5-6nm，如用场发射电子枪，分辨率可达2-3nm。SEM的景深很大，对表面起伏很大的形貌也能得到很好的图像。只是放大倍数较低，达不到原子级的分辨率。,5.场发射形貌描绘仪,场发射原理在1956年由R.Young提出，但直到1971年R.Young和J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上，是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上，由反馈电路控
6、制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲率半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，针尖与试件间产生场发射电流。,探针在试件表面扫描，可根据场发射电流的大小，检测出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研究，发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可产生隧道电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他们观察到的Is和Vb间为线性关系时，估计针尖-试件间的距离为1.2nm。可惜他们的研究到此为止，虽然已经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项重大发明失之交臂，甚为可惜。,5.场发射形貌描绘仪,发明背景,
7、1,2,3,4,新型 显微镜,STM 发明,工作原理,扫描隧道显微镜的发明,1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）STM使人类第一次能够实时地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化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金,Gerd Bining,Hernrich Ro
8、here,在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假如R.Young（场发射形貌描绘仪的发明者）能够及时意识到真空中隧道效应的重要性，假如他能及时想到缩小针尖与试件表面间的距离，那么STM公布发表时的发明人名字就是R.Young了。遗憾的是，他们没有意识到这一点，更没有去缩短那一点微不足道的该死的微小距离，于是他们发明的所谓形貌描绘仪只能永远地在历史上被记载为一种最接近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾认真研究改进他们的仪器，并试验过一些办法，但收效甚微。他曾一度想到了隧道效应，并还讨论了谱图学方向的应用，但唯独没有想到应用到他的形貌描绘以上。仅此一步没有深入下去，就使他们
9、和一项重大科技发明失之交臂，而空自叹息。,扫描隧道显微镜的发明,世界上第1台扫描隧道显微镜,世界上第1台扫描隧道显微镜,世界上第1台扫描隧道显微镜,扫描隧道显微镜的发明,由于STM具有极高的空间分辨能力(平行方向的分辨率为0.04nm，垂直方向的分辨率达到0.01nm)、它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步，因为在此之前人类无法直接观察表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手
10、术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。,发明背景,1,2,3,4,新型 显微镜,STM 发明,工作原理,扫描隧道显微镜的工作原理,图是STM的基本原理图，其主要构成有：顶部直径约为50100nm的极细金属针尖(通常是金属钨制的针尖)，用于三维扫描的三个相互垂直的压电陶瓷(Px，Py，Pz)，以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等。,STM的工作原理,扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零
11、，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。,隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。,扫描隧道显微镜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 (通常小于1nm) 时，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电极。,（
12、隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）,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以及平均功函数有关：（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ，1和2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1）,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，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，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。,STM的结构,常用的
13、STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。,STM的工作方式,恒电流模式 恒高度模式,恒电流模式,x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度
14、的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。,恒高度模式,在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。,隧道针尖,隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得
15、原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。,目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。,隧道针尖,扫描隧道显微镜下图,发明背景,1,2,3,4,新型 显微镜,STM 发明,工作原理,扫描隧道显微镜的局限性:扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差.扫描隧道显微镜所
16、观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。,在STM基础上发展起来的各种新型显微镜,磁力显微镜（MFM） 摩擦力显微镜（LFM） 静电力显微镜（EFM） 弹道电子发射显微术（BEEN） 扫描离子电导显微镜（SICN） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTN） 扫描近场光学显微镜（SNOM）在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微 镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技 术的发展提供了很好的技术支持。,原子力显微镜（AFM）,一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。,
