《扫描隧道显微镜30417》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扫描隧道显微镜30417（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、. .得分：_ 南 京 林 业 大 学研究生课程论文20122013学年 第一学期课 程 号：23379课程名称：现代固体表达分析技术论文题目：扫描隧道显微镜及其应用学科专业：林产化学加工工程学 号：3120324姓 名：顾华祥任课教师：王飞二一二 年 十二 月- 优选*林业大学研究生课程论文扫描隧道显微镜及其应用顾华祥 3120324摘要：扫描隧道显微镜已在量子力学中的隧道效应的基础上研制成功，此后，一系列扫描探针显微镜在此基础上研制成功，并在科学研究中得到了广泛的应用。文章通过对扫描隧道显微镜的理论与应用研究的阐述，指明了它在纳米科技发展中的重要作用。关键字：隧道效应；扫描隧道显微镜；探针
2、；应用 Theoretical Investigation and Application of STMGu Hua-xiang 3120324Abstract: The STM has been made successfully according to the tunnel effect of quantum mechanics. On the basis of STM,a series of Scanning Probe Microscope (SPM) has been invented. At the same time, the SPM is supplied into vari
3、ous aspects of scientific research. By researching the theory and application of the STM, more important effects of STM in the nanometer science and technology are under studied.Key words: tunneling effect; STM; probe; application世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy，STM )是Gerd Binnig和
4、Heinrich Rohrer于1982年共同研制的1,2。它克服了电子显微镜必须用电子束工作，高速电子容易透入物质深处，而低速电子又容易被样品的电磁场偏折，因而很难对物质表面进行揭示的不足，二人因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。该技术被科学界公认为分析技术的一次革命，对表面化学、表面物理、生命科学、材料科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔的应用前景。扫描隧道显微镜是利用量子力学中的隧道效应，在两层金属之间夹一绝缘层制成一个隧道结，电子穿过隧道结产生隧道电流，形成电子的隧道效应。通过隧道电流的变化可以使人们“看到”固体表面一个个原子，甚至还可以分辨出百分之一个原子的面积，从而可以分辨固
5、体表面原子结构的细微特征，横向分辨率达 1 ，纵向分辨率达 0.01 。目前，该项技术被广泛地用于金属和半导体表面的表征。1 STM的工作原理量子力学中的隧道效应隧道效应是微观粒子具有波粒二象性的结果，也是扫描隧道显微镜的理论基础。考虑在一维空间运动的粒子，其势能在0x 0)，而在区域外等于0。当粒子以一定的能量E由x0的区域向右运动时, 在经典力学中，只有E大于U0的粒子才能越过势垒由xa的区域；能量E小于 U0的粒子不能越过势垒运动到势垒右面。然而在量子力学中即使能量E小于U0的粒子也有一定的可能越过势垒运动到势垒右面，好象粒子在势垒处打通了一条隧道，粒子通过隧道运动到了右面，这就是量子力
6、学中的隧道效应。粒子运动的可能性用透射系数D表示，式中D0是常数, U0是势垒的高度，a是势垒的宽度。由此可见，透射系数随势垒的加宽或加高而按指数规律减小3。由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限在表面边界之内, 即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减，衰减长度约为1 nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠，如果在两金属间加一微小电压VT，那就可以观察到它们之间的电流JT(称为隧道电流)。将直径小到原子尺度的探针针尖和样品的表面作为两个电极，对电子而言，针尖和样品间的间隙相当于一个势垒，由上可知，电子的穿透几率与势垒
7、的宽度呈负指数关系。当针尖和样品非常接近时(小于1 nm)，势垒变得很薄，电子云相互重叠，具有能量的电子就有一定的概率穿透势垒到达另一极，在两极之间加一电压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖，形成隧道电流。隧道电流与所加偏压成正比，即。VT为针尖和样品之间的偏置电压，s为针尖和样品的间距，为样品表面的平均势垒高度。如果 s 以0. 1nm 为单位, 则A = 1，的量级为eV。在一定的条件下，隧道电流与两极间距离是负指数关系，因此当改变s变化0.1nm，隧道电流就会改变7.4倍，约一个数量级4。这样,当探针在样品表面上扫描时，表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变
8、化。STM 正是利用隧道电流对间距的敏感性来工作的，可以分辨表面上分立的原子，揭示出表面上原子的台阶、平台和原子阵列。2 STM的结构一般说来隧道显微镜由三个大部分组成：隧道显微镜的主体、控制电路、计算机控制 (测量软件及数据处理软件)5。主体主要包括针尖平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构、系统与外界振动的隔离装置。这是STM的关键技术，STM是十分精密的仪器，任何微小的扰动都会引起电流的剧烈变化，因此需要严格的隔离防震措施来保证原子级的分辨能力和稳定的图象。针尖结构也十分关键，理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子，通常用钨或铂铱合金为针尖材料，经过场蒸发等特殊工艺制备成探针针尖，一般
9、STM 的针尖是安放在一个可进行三维运动的陶瓷支架上。图1 具体的工作流程见图1，Vx、Vy、Vz分别控制针尖在x、y、z方向的运动。在Vx、Vy上施加电压使针尖沿表面作扫描，测量隧道电流并以此反馈控制施加在针尖竖直方向上的电压Vz使得针尖与表面的间距s不变。当s变大时，I有变小的趋向，反馈放大器改变电压Vz导致s变小，反过来也一样，电压Vz的值就反映了表面的轮廓.3 STM的工作模式3.1 恒电流模式当STM 针尖沿着样品表面进行xy方向扫描时，由于表面的起伏，使得隧道电流的大小发生变化6。电流的大小与预置值相比，其差值通过反馈回路反馈到垂直方向Z控制系统，通过Z方向压电陶瓷的伸缩，改变针尖
10、与样品之间的距离，从而使电流值与预置值保持恒定，就可以得到表面的形貌像，这种测量模式称为恒电流模式。恒电流模式适用于表面相对粗糙、扫描范围相对较大的测试，如图 2所示，目前STM 大都采用这种工作模式。图2 恒电流模式3.2 恒高度模式当已知样品表面非常平整光滑或测量范围非常小时, 经常用恒高模式进行扫描。STM工作时，以针尖为一电极, 被测固体表面为另一电极,它们之间的距离保持在纳米数量级。如果表面是同一种原子组成的,由于电流与两电极间距成指数关系，当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，电流却会有十倍的变化，这样就可以用现代电子技术测出电流的变化，反映出表面的起伏，如
11、图3所示，这种运行模式称为恒高度模式。其优点就是扫描速度快，从而能够减小噪音和热漂移对信号的影响。图3 恒高度模式4 STM的发展及应用STM要求研究的材料必须具有一定的导电性，这就限制了STM的应用。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(Scanning Probe Microscope，SPM)，如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描电容显微镜(SCAM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等7。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来
12、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。目前最小的扫描隧道显微镜(STM)尺寸仅为125 mm, 而最大的扫描范围可达100 mm。另外，扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜联用技术目前也受到越来越多的关注研究，它可以实现从宏观到微观，从mm范围到nm范围，从粗造表面到光滑表面的直接观察，也可以解决扫描隧道显微镜难于定位的难题，使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜8。扫描隧道显微镜有广泛的用途。因为它具有原子级的分辨率，在横向和纵向分别能达到0.1 nm和0.01 nm并能实时地观测表面的三维图象，最适宜研究表面现象。固体表面有许多与众不同的性质，弄清它们将能开发许
13、多新技术、新产品和新材料。例如超晶格材料、性能优异的半导体材料、高温超导材料等。其次，STM不用高能电子束，样品不会因为电子轰击而受伤，另外还STM可以在空气中使用，还允许样品表面覆盖一层水，这样使生物样品始终处于活的状态，这使得STM在生命科学中有广阔的应用前景。在20世纪80年代，人们已成功地获得了水溶液、大气、真空条件下DNA的STM图像，并可以观测到接近原子分辨率的DNA分子的双螺旋精细结构和碱基顺序9；在蛋白质的研究方面STM主要涉及氨基酸、结构蛋白、功能蛋白等领域。纳米科技就是利用STM对表面进行纳米级加工，现在已经有纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学和纳米化学等学科。
14、STM在纳米技术中最引人注目的成就之一是实施单个原子的操作和控制。它是通过调节针尖位置和所加偏压来改变针尖和表面原子之间力的大小和方向，从而诱导表面单原子或分子完全脱离表面，或者使表面吸附原子发生横向移动而不脱离表面，移动操纵的最终结果是表面吸附原子按照一定的规律进行排列。在对低维度和小尺寸引起的复杂磁结构和新奇的磁性质及其物理原理和技术应用研究方面的不断深入研究中，自旋极化扫描隧道显微镜( spin-polarized scanning tunneling microscope, SP-STM )10正发挥越发重要的作用，已经成为人们研究纳米磁性物理的最有效工具之一。例如，Cu( 111) 表面上的Co纳米岛一直是一个倍受关注的体系，因为纳米岛和基底会表现出不同的自旋极化性质。通过利用非自旋扫描隧道谱和自旋极化扫描隧道谱研究Cu( 111)表面上两个原子层厚的Co纳米岛，发现在Cu( 111) 表面上，三角型的Co岛有两种堆跺方式，一种沿基底的fcc位置排列(非缺陷岛或u岛)，另一种相当于一个堆跺层错(缺陷岛或 f岛)，二者取向相差180o。该方法的研究是的人们对其体系结构和物理原理有了更深层次的认识。参考文献：1 Liu B, Ran, Li Z.et al. A
