扫描探针显微技术(SPM)

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1、第6章　扫描探针显微技术（SPM）显微技术是人们认识材料微观结构的重要途径，其发展历程是从光学显微镜——电子显微镜——扫描探针技术。一般的光学显微镜的分辨率250nm,扫描电子显微镜（横向分辨率3－5nm），不能用来直接观察分子和原子。扫描探针技术（STM横向0.1－0.2nm，纵向0.01nm）,可以直接观察分子、原子。6.1概述第一代为光学显微镜1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具.一般的光学显

2、微镜的分辨率250nm第二代为电子显微镜20世纪三十年代早期卢斯卡（E.Ruska）发明了电子显微镜，使人类能”看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。扫描电子显微镜（横向分辨率3－5nm），不能用来直接观察分子和原子。第三代为扫描探针显微镜也可简称为纳米显微镜。1981年葛宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类实现了观察单个原子的原望；1985年比尼格应奎特（C.F.Quate）发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM

3、）系列。扫描探针技术（STM横向0.1－0.2nm，纵向0.01nm）,可以直接观察分子、原子。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的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，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．三代显微镜的观察范围及典型物体扫描探针显微镜的特点分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度检测深度扫描探针显微镜原子级(0

4、.1nm)实环境、大气、溶液、真空室温或低温无100μm量级透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空室温小接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm.扫描电镜6~10nm高真空室温小10mm(10倍时)1μm(10000倍时)场离子显微镜原子级超高真空30~80K有原子厚度相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较扫描探针技术（SPM）实际上一类显微术的总称，都是在扫描隧道显微镜的基础上发展起来的，其中最常用的有扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM），这两种方法互为补充。STM要求被测

5、样品必须是导体或半导体，虽然不导电的样品可以通过镀金膜或碳膜在其表面形成一层导电膜，但膜的粒度和均匀性直接影响对真实表面的分辨率造成失真。AFM可用于非导体，但要求样品的粘度不能太大，否则将直接影响分辨率。SPM技术的特点：（1）具有原子级的分辨率（横向0.1－0.2nm，纵向0.01nm）；（2）可以观察单个原子层的局部表面结构；（3）可以得到表面电子结构的有关信息；（4）可以实时、实空间地观察表面的三维图像，可以观测到表面的原子的扩散、迁移等过程。（5）可以在不同条件下，如真空、大气、常温、低温、高温、溶液等条件下工作，不需要特别备

6、制样品，对样品无损伤，能在缓冲溶液中直接观察生物样品的表面结构，能在高温环境下工作。（6）除了用于成像、显微观测，还可以对表面的原子、吸附的原子或分子进行移动，从而进行表面纳米级加工1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人震惊的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。金属中的自由电子具有波动性，当电子波（ψ）向表面传播遇到边界时，一部分被反射（ψR），而另一部分则可透过边界（ψT），从而在其表面形成

7、电子云，电子云的密度随距表面的距离成指数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可以相互渗透，即金属1的透射波ψT1与金属2的透射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加电压，则电子定向流动，形成隧道电流。6.2扫描隧道显微镜6.2.1隧道效应STM的工作原理就是利用了电子隧道效应，用一个曲率半径R为原子尺寸的针尖在样品表面扫描，当针尖与样品表面非常接近时，由于隧道效应可在针尖与样品表面之间形成隧道电流:I∝ρs

8、(0,EF)exp(-2kZ)式中，ρs(0,EF)为样品表面费米能级EF处的局域态密度，Z为针尖与样品的距离，k为衰减系数，K取决于针尖和样品的平均功函数以及针尖与样品间的电压。当Z增加0.1nm时，I减