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1、扫描遂道显微镜（STM）,表面分析仪：1982年第一台 国际商业机器公司苏黎世实验室 (Gerd BiningHeinrich Rohrer),STM扫描隧道显微镜,功能： 1。主要功能：提供具有原子级分辩率的表面形貌。 2。另一种应用：可以作为谱学研究的工具。,表面结构分析现代仪器历史,1933年第一台电子显微镜： 透射电子显微镜（TEM） 扫描电子显微镜（SEM） 场电子显微镜（FEM） 场离子显微镜（FIM） 扫描隧道显微镜（STM） 原子力显微镜（AFM）,人眼晴分辩率：0.1mm以上。 光学显微镜极限分辩本领是光波的半波长：可见光最短0.4um(半波长：0.2um） 透射电镜 原理：
2、光线在介质中运动与电子在磁场中运动相似性质。光波长-电子波长。光学透镜-磁透镜。,透射电镜（TEM）,电子波长：加速电压：50-100KV。电子波长：0.005360.00370nm 磁透镜,透射电镜的条件与特征,1.电子运动的轨迹满足旁轴条件。 2.电子运动的速度是完全相同的。 3.形成透镜的电磁场具有理想的轴对称性 4.电镜的镜筒内部处于高真空。 5.样品尺寸小，并对电子束是透明的。 6.样品制备技术与图像解释方法发展。,扫描电镜（SEM）,1.成像原理与与透射电镜完全不同。 2.高能电子轰击样品表面。激发各种信息。 3.二次电子、透射电子、俄歇电子、X射线等。 4.不同的信息检测器。 5
3、.高真空状态。 6.分辩率逊色于透射电镜数十倍。,扫描隧道显微镜 基本原理,量子理论中的隧道效应。 极细探针与研究物质作为两个探极。 隧道电流：,扫描隧道显微镜的原理结构,极细探针与研究物质作为两个探极。,扫描模式,恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm 的样品。,隧道谱,实验方式：四种操作方法采集隧道谱数据。 1。电流电压隧道谱。 2。电流间隙特性。 3。恒电流形貌图（CCT）。 4。电流成像隧道谱（CITS）,振动隔绝系统,工作针尖与样品间距小于1nm.隧道电流与间距成指数关系。 恒流模式中，表面起伏通常为0.01
4、nm,振动引起小于0.001nm. STM减震系统设计主要考虑低频：1-100HZ 防振：1.提高仪器的固有振动频率.2.使用振动阻尼系统。,减震系统：,减震考虑：1-100HZ之间的振动。 提高系统固有振动频率。 橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻尼。,压电陶瓷步进马达扫描控制器：,压电现象：某种晶体机械力形变电场x,y,z扫描控制器件。 压电陶瓷材料：极化处理,实验操作与进行：,一.针尖的制作： 二.针尖的安装： 三.实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。 四.逼近隧道区（隧道电流） 五.扫描：观察图象、调整电流、偏压等。,STM应用：,金属和半导体表面的S
5、TM研究： 研究表面上发生的物理与化学过程。 物理例如：晶体生长过程、表面物质沉积过程。 表面化学反应。,STM在生命科学研究中的应用：,1.基底的选择：高定向石墨（HOPG） 2.样品的导电性：早期在生物样品表面蒸镀上一层导电膜。 3.吸附在导电基底上的生物样品足够薄。,扫描遂道显微镜（STM）独特优点：,1.具有原子高分辩率。 2.可实时得到在实空间中表面的三维图象； 3.可以观察单个原子层的局部表面结构。 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作；甚至水中。对样品无损。 5.可得到表面电子结构的信息。（配合扫描隧道谱）。,STM的局限性与发展,1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不
6、能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。 2.样品必须具有一定程度的导电性。 AFM,国内教学仪器两种类型：,上海纳星公司（上海交大）： 测试范围大，软件适合教学应用，界面漂亮。 北京大学：测试nm数量级。隔振系统好；真空工作状态。能反映科研工作状况。软件不适应教学。界面差。,STM扫描隧道显微镜的工作原理: Z轴加(减)偏压使针尖逼近与退离. 三维压电陶瓷进行扫描工作. 恒流模式工作时:样品形貌变化信号只控制Z轴方向压电陶瓷电压.针尖对样品扫描控制X、Y方向压电陶瓷（粗调与有序控制）,北大扫描隧道显微镜结构形式,隧道针尖,STM技术中的主要问题。 钨针尖的制备：电化学腐蚀方法：NaOH 铂铱合金针尖的制备： 机械成形法：剪切法 针尖的保存。,铂铱合金针尖的制备：,两步电化学腐蚀方法； 机械成形法； 剪切法,软件,1.各项参数的设置。 2.STM控制、数据采集和实时显示。 3.文件的管理。 4.数据分析和图像处理。,在STM基础上发展起来的各种新型显微镜,原子力显微镜 激光显微镜,场离子显微镜（FIM）,利用成像气体原子在带正高压的针尖样品的附近被场离子化。荧光屏上显示。,
