材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子力显微镜讲义ppt课件.ppt

《材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子力显微镜讲义ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二篇电子显微分析第十二章扫描隧道显微镜和原子力显微镜◆扫描隧道显微镜（STM）（ScanningTunnelingMicroscope)◆原子力显微镜(AFM)(AtomicForceMicroscope)§12.1扫描隧道显微镜（STM）◆1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼G．Binnig博士和海.罗雷尔H．Rohrer博士共同研制了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(STM)。使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为上世纪80年代世界十大科技

2、成就之一。为此，1986年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。◆以扫描隧道电子显微镜为基础，G．Binnig等于1985年又发明了可用于绝缘体检测、分析的原子力显微镜(AFM)。一、扫描隧道显微镜的工作原理1.隧道效应假设两金属被一厚度为s的绝缘体（如真空）隔开，在金属中的能级如图所示，金属中EF费米能级电子逸出表面的功分别为φ1、φ2，按照经典电磁学理论，金属1中EF能级电子至少要获得能量φ1，才能至金属2中。但当S达到原子尺寸时，按量子力学理论，金属中的自由电子具波动性，形成金属表面上的电子云，两金属表面电子

3、云将相互渗透（两金属透射波φT1与φT2相互重叠),此称之为隧道效应。两片金属上加一电压VT，金属1中自由电子无需获得任何能量，便有一定几率的电子跑至金属2，在两金属间形成电流，称为隧道电流。隧道电流方向由电压极性决定。电子隧道效应与隧道电流(a)隧道效应(两金属靠得很近，T1与T2是贯穿隧道的电子波(b)隧道电流的形成(加适当电位V，贯通隧道的电子定向流动)2.隧道电流若在两金属中加上小的电压(可称为偏压)，则将在两金属间形成隧道电流，隧道电流方向由偏压极性决定。其大小：I∝exp(－2ks)k=h(2mφ)1/2/2πφ=(φ1

4、+φ2)/2取对数，微分得：△I/I=－2ks如△I/I控制在±2%内，k≈10（nm)-1,则两片间距控制精度△s达到0.001nm.3.STM的工作原理利用半径为原子尺度的针尖为一极，探测固体表面为另一极，当它们间距缩小至原子尺度时，两极间的势垒减小至很小，在很小的偏压下，电子穿过两极间的势垒，形成隧道电流。由I∝exp(－2ks)，如针尖在固体表面扫描过程中保持隧道电流不变，则针尖必须随固体表面起伏上下移动，以保持间距s不变，这样针尖的运动轨迹便是固体表面的形貌。如△I/I控制在±2%内，则针尖至固体表面间距控制精度△s达到0.0

5、01nm.二、STM的结构STM由隧道显微镜主体、电子控制系统和计算机系统组成。隧道显微镜主体包括针尖（或样品）的平面扫描机构、样品与针尖间距离控制调节机构、系统与外界振动等的隔离装置。世界各国实验室发展了有各自特色的STM，其中比较常用的扫描机构（x,y,z三维细调）是压电陶瓷扫描管或压电陶瓷杆组成的三维互相垂直的位移器。三维扫描控制器如图所示。针尖经粗调装置逼近试样表面，进入隧道状态后，由计算机产生X-Y扫描信号，驱动探针在试样表面二维扫描，产生的隧道电流经放大，转换为压电陶瓷管在Z方向的驱动电压，用于控制探针上下移动，保持间距S不

6、变。当I大（S小）--加在陶瓷管电压V↓--探针上移(Z小)--S↑.反之，探针下移。针尖运动轨迹反映了试样表面形貌。计算机记录试样表面每点的（XYZ)坐标，描绘试样的形貌。◆固定在压电陶瓷传感器(三维扫描控制器)上的探针可沿样品表面在x、y两个方向扫描；◆隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S减小0.1nm，隧道电流I将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光

7、屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。三.工作模式1.恒电流工作模式沿表面扫描过程中，探针沿z方向的位移由反馈电路控制。反馈电路接受由于样品表面原子排列变化(样品表面起伏变化)引起的电压信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿z方向上下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变(即探针针尖与样品间距恒定不变)。通过记录扫描过程中针尖位移的变化[即z(x，y)]，即可得到样品表面三维显微形貌图。2.恒高度工作模式沿表面扫描过程中，探针保持在同一高度(不产生z方向上下位移)。如此，则在扫描过程中，随样品表面起伏的变化(针尖

8、与样品表面间距变化)，隧道电流不断变化。通过记录扫描过程中隧道电流的变化，也可得到样品表面的三维显微形貌图。恒高度工作模式获取显微图像快(1s)，能有效地减少噪音和热漂移对隧道电流信号的干扰，提高分辨率；但