扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM分析技术.ppt

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1、第三章扫描隧道显微镜和原子力显微镜第一节扫描隧道显微镜（STM）一、引言(ScanningTunnelingMicroscopy)1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的宾尼（G．Binning）和罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．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

2、代世界十大科技成就之一。STM具有如下独特的优点：1.具有原子级高分辨率，STM在平行于和垂直于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子．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。2．可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于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面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接

3、观察到表面缺陷。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．硅111面原子重构象对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。液体中观察原子图象下图所示的是在电解液中

4、得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。6．利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。7.在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低

5、廉。1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，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。用STM移动氙原子排出的“IBM”图案二、电子隧穿效应经典理论认为：金属中处于费米能级EF以上的自由电子逸出表面，必须获得足以克服金属表面逸出功φ的能量。当一个粒子的动能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。粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。量子力学认为：电子波函数ψ向表面传播，遇到边界，一部分被反射

6、（ψR），而另一部分则可透过边界（ψT），从而形成金属表面上的电子云。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。当金属1与金属2靠得很近时（<1nm）两金属表柬的电子云将相互渗透——电子隧道效应。若加上小的电压V（偏压），则形成电流——隧道电流。图电子隧道效应与隧道电流(a)隧道效

7、应，(b)隧道电流的形成隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关：扫描隧道显微镜的基本原理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(通常小于1nm)时，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。图STM的基本原理图三、扫描隧道显微镜的基本原理尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系，获得原子级样品表面形貌特征图象。顶部探针大小：直径约50~10

8、0nm。材料：通常是金属钨。针尖与样品表面距离：一般约为0.3~1.0nm，此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时，电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）。功能：在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同（如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。安装：金属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷（Px、Py、Pz）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用来控制STM偏压、压电陶瓷扫