材料现代分析与测试第七章扫描探针显微分析

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1、材料现代分析与测试第七章扫描探针显微分析第七章扫描探针显微分析第一节概述电子探针显微分析(ElectronsProbeMicroanalysisEPMA)也称为电子探针X射线显微分析，是利用电子光学和X射线光谱学的基本原理将显微分析和成分分析相结合的一种微区分析方法。该分析方法特别适用于分析试样中微小区域的化学成分分析，是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscopes简称SPM)包括扫描显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜以及

2、扫描热显微镜等，是一类完全新型的显微镜。它们通过英端粗细只有一个原子大小的探针在非常近的距离上探索物体表烦的情况，便可以分辨出其它显微镜所无法分辨的极小尺度上的表面特征。一、SPM的基本原理控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到样品表面的相关信息。因此，利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小(即探针的尖锐度)。二、SPM的特点1•原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达O.lnm和O.Olnm,即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率

3、。2.可实时地得到实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究及表面扩散等动态过程的研究。3.可以观察单个原子层的局部表烦结构，因而可直接观察表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。4.可在真空、大气、常温，以及水和其它溶液等不同环境下工作，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样甜无损伤。这些特点适用于研究生物样品和在不同试验条件下对样品表面的评价。5.配合扫描隧道谱STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电

4、荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。第二节扫描隧道电子显微分析(STM)一、STM的工作原理1•隧道效应和隧道电流将原子线度的极细针尖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lnm),在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极，这种现象称为隧道效应。隧道电流强度与针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离小于O.lnm,电流将增加一个数量级。遂穿电阻与针尖垂直移动距离的关系：R(s)=exp(A4)l/2s),A=1.025eV-lA-1,s为间距。2.工作原理隧道扫描显微镜的基本原理是基于量了力学的隧道

5、效应。当导电表面与探针保持一定距离(〜10?)时，它们的电子波函数发生重叠，加一个小电压，就会产生遂穿电流。当探针与表面间改变一个原子尺度（3?左右）,隧穿电流可以改变1000倍，所以对距离非常敏感，可以检测1~2个原子层深度的变化。探针在表面进行扫描时，使隧穿电流保持恒定，这样探针的位置，就能直接反映出表面的原子排列。二、STM的工作模式（一）恒流模式：以設定的穿隧电流（约lnA）為反馈信号。由于探针与样品表面的间距和穿隧电流的关系十分敏感，设定穿隧电流值，即锁定探针和样品表血之间的距离。当探针在样品表面扫描时，探针必須随表曲的起伏调整其高度（即z值）。因

6、此，以探针的高度变化來成像，就反映出样品表面的形貌。（二）恒高模式：直接以穿隧电流值来成像。当探针以固定的高度扫描样品表面时，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的間距变化,穿隧电流值也随之改变。（三）其他工作模式：1.i（z）谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I（Z）谱可检测针尖的质量。2.I（V）谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而形成的曲线。3.势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的距离，可根据调制的信号得到dl/dZ在表面形成的图象。该图象提供了样甜表面的

7、微观功函数的空间分布。1.电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dl,这样dl/dV在表面形成的图象就反应了样品表面的电子态密度分布。表7-1STM的扫描模式优缺点比较三、STM的应用1.纳米加工技术基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术(Nanolithgraphy)o这种技术可以实现在纳米尺度上制备产品。目前刻蚀图形的线宽约lOnmo日本NEC公司已研制出超高密度记录技术，其记录密度为目前磁盘的3000倍。若将STM刻蚀技术与分子束外延薄膜生产技术相结合，即可用于制造三维尺寸均的纳米级的量子器件。例如利

8、用碑镣和碎铝镣多层分子束外延薄膜材料加上纳米刻蚀，即