扫描隧道显微镜-实验学习课件

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1、扫描隧道显微镜实验类型：近代光学设计性实验实验地点：实验日期：学生姓名：一.目的要求1.掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理2.学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理3.基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并最后观察样品的表面形貌4.学会使用扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图像进行处理和数据分析二.仪器设备AJ—1型扫描隧道显微镜、电脑、样品（一维光栅和两维光栅）、金属探针及工具三.原理1．隧道电流扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当

2、一粒子的动能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，粒子将完全被弹回（如图1）。       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，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。透射系数                 （1）由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象

3、。扫描隧道显微镜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时（通常小于1nm），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。隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数Φ=(Φ1+Φ2))/2，Φ1和Φ2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

4、道电流。       由式（2）可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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。2．STM的结构和工作模式       STM仪器由具有减振系统的STM头部、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成（图2）。头部的主要部件是用压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x-y方向扫描电压的作用下，扫描器驱动探针在导电样品表面附近作

5、x-y方向的扫描运动。与此同时，一台差动放大器检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压反馈到扫描器，作为探针z方向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表面的高度。STM常用的工作模式主要有以下两种：a.恒流模式如图3（a），利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x-y方向扫描，而z方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，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记录并显

6、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。这种工作模式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z方向的驱动电压值推算表面起伏高度的数值。恒流模式是一种常用的工作模式，在这种工作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率。图3 扫描隧道显微镜的两种工作模式b.恒高模式，如图3（b），针尖的x-y方向仍起着扫描的作用，而z方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面的局域高度会随时发生变化，因而隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。横高模式的特点是

7、扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，实现表面形貌的实时显示，但这种模式要求样品表面相当平坦，样品表面的起伏一般不大于1nm，否则探针容易与样品相撞。3.STM针尖的制备       隧道针尖的制备是STM技术中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，从而减小相位滞后，提高采集速度。如果针尖的最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，而且能够获得原子级分辨率的图象。针尖的

8、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，从而导致在针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。       现在常用铂铱合金作为隧道针尖材料。铂材料虽软，但不易被氧化，在铂中加入少量铱（例如铂铱的比例为80％:20％）形成的铂铱合金丝，除保留了不易被氧化的特性外，其刚性也得到了