扫描探针显微镜实验

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1、每组的前四位同学预习AFM实验，中间四位预习STM实验，最后四位同学预习锁定放大器实验扫描探针显微镜实验实验目的1、学习和了解并掌握扫描探针显微镜的工作原理和仪器结构；2、观测和验证量子力学中的隧道效应以及原子间相互作用力；3、学习扫描探针显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；4、学习使用计算机软件Imager4.6处理原始图象数据。实验原理：在科学发展史上直接观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。1982年IBM公司瑞士苏黎士研究实验室的葛·宾尼（GerdBining）和海·罗雷尔（Hein

2、richRoher）研制出一种新型显微镜--扫描隧道显微镜（ScanningTunnellingMicroscope，简称STM），终于使这一愿成为现实。 这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在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，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大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，宾尼和罗雷尔两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起被授予198

3、6年诺贝尔物理奖。 原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体.人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率——0.1nm，但主要

4、用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件．场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只能探测半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限.X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究．扫描隧道显微镜的问世使得人类直接观测微观世界的大门被打开。更为重要的是，扫描隧道显微镜还使得人们对单个原子、分子的直接操纵成为现实，由此引发出一种新的加工工艺--纳米加工。1990

5、年，美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。 在短短几年里，STM以它独特的性能激起了世界各国科学家的极大兴趣和热情。因此与表面科学、材料科学及生命科学等研究领域中获得广泛应用相同步，STM仪器本身及其相关仪器也获得了蓬勃发展。相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与STM相似的显微仪器(原子力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜与扫描热显微镜等)，用来获取用STM无法获取的有关表面结构的各种信息。这个目前被称为"扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope，简称

6、SPM)"的显微仪器家族还在不断发展，成为人类认识微观世界的有力工具。SPM是STM及在STM基础上发展起来的各种新型探针显微镜的统称，是国际上近30年来发展的表面分析仪器。SPM是综合运用光电子技术、激光技术、微弱信号检测技术、精密机械设计和加工、自动控制技术、数字信号处理技术、应用光学技术、计算机高速采集和控制及高分辨图形处理技术等现代科技成果的光、机、电一体化的高技术产品。金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母 基于量子的隧道效应，STM工作时要监测探针和样品之间隧道电流，因此只限于直接观测

7、导体或半导体的表面结构。对于非导电材料须在其表面覆盖一层导电膜。导电膜的存在往往掩盖了表面结构的细节，而使STM失去了能在原子尺度上研究表面结构这一优势。即使对于导电样品，STM观测到的是对应于表面费米能级处的态密度。当表面存在非单一电子态时，STM得到的是表面形貌和表面电子性质的综合结果。著名物理学家泡利曾这样抱怨过："表面是魔鬼发明的"。由于物体表面直接暴露在外界环境中，外界环境与物体表面的相互作用使得物体的表面性质变得极为复杂。这种复杂一直妨碍著人们进行精确的实验探索及理论描述。随着扫描隧道显微镜的发明以及随之

8、而来的整整一系列以类似技术为基础的扫描探针显微镜的问世，笼罩在物体表面的神秘面纱张于被揭开。扫描探针显微镜也因此成为探索物体表面结构的最强有力的工具。纳米科学技术是基于扫描探针显微镜而发展起来的一门新高科技。它不仅把一个神秘原子、分子世界呈现在人们面前，而且为人们提供了改造这一世界手段。它的发展对科学研究以及工业应用都将带来不可估量的影响。与其