电化学腐蚀法制备的STM针尖质量和电解电压的关系.doc

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1、电化学腐蚀法制备的STM针尖质量和电解电压的关系苏放材料科学系复旦大学Abstract：Sinceitscreation,STMhasopenedanotherdoorforpeopletoexploreintothenano-scale.Itsapplicationhasbeenwellmadeinthematerialscience,bio-scienceandsurfacescience,includingbutnotlimitedto.However,thequalityofSTMimagesdependsgreatlyo

2、ntheprobingtip,ideally,itshouldcarryonlyoneatomonitstip-top.Weexaminedthefactorsinvolvedintheprocess,andwechosetoestablishaqualitativerelationshipbetweenitselectro-voltageandtheshapeofthetip.关键词：STM针尖Voltage-dependent控制变量法因素竞争引言：1981年，IBM瑞士苏黎士实验室的Gerd.Binning和Heinrich

3、.Rohrer研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope，简称STM）．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，Stm的实验原理基于隧道效应。由于粒子的波动性而引起的隧道效应隧道效应，其透射系数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，具体来说，随着a的增加，T将指数衰减，计算指出，但势垒宽度改变一个原子弹限度（3A）时，隧道电流

4、将改变1000倍。因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。用一根金属探针，在距离样品表面只有几原子直径的高度进行扫描，夹在（导电）样品和针尖之间的空气楔充当了势垒，在探针尖加上一微小电压之后，与空气楔厚度相关的一个隧穿电流将被产生并穿越了样品，形成回路。金属表面的凹凸情况极大地影响着空气楔的厚度，从而使隧道电流跟着发生急剧而明显的变化。因此，考察隧穿电流的强度变化，即能得到样品表面原子级的相貌。为了保护样品，我们采用的恒高度扫描模式，即恒电流。针尖的水平方向仍起着扫描的作用，而纵向则保持绝对高度不变，控制压电陶瓷上的电压,

5、使针尖在扫描中随表面起伏上下移动。在扫描过程中保持隧道电流不变(即间距不变),压电陶瓷上的电压即反映了表面的起伏.【1】因此，所谓的STM，扫描隧道显微镜，并不是真的看到了原子，这是很困难的，因为可见光的波长比原子的直径大了将近1000倍，人们我们只是找到了另一个手段来表征它。STM扫描的结果很大程度上取决于它针尖的质量。为了得到原子级别的分辨率，针尖自身必须达到原子的级别，最理想的情况是，针尖头是一个原子。如何制备理想的针尖，成为了一个令人关注的问题。理论/实验部分我们选择用电化学腐蚀法来制备针尖。【1】电化学腐蚀的原理是以离子

6、的形式去除材料。具体来讲，就是电解碱液，腐蚀钨丝，生成的氧化钨离子沉淀环绕在钨针的周围，氧化钨离子在重力作用下往下落最后积累到一定质量在腐蚀得最细处拉断，使得截断面上出现针尖的结构。由于此力是在钨针快要被侵蚀掉时才产生，因此刚好可以将截断面附近的结构拉出非常细的针尖状，更有可能使得tip的尖端刚好有一个原子。采取液膜法制备。材料：一段用砂皮进行过磨光的钨丝，2mol/l的NaOH溶液。将待制备钨丝穿过由NaOH在金属环上拉出的液膜，钨丝接阳极，金属环接阴极，在阳极和阴极之间通交流或直流电后,阴极碱液中会有气泡(H2)冒出,电化学反

7、应开始进行,阴阳两极发生电化学反应。在与钨丝的接触面处发生腐蚀反应。液膜法仪器示意图：电源NaOH液膜钨丝(1)阴极反应(2)阳极反应产生的氧化钨离子在重力作用下下移，随着溶解的进行,钨丝与溶液交界面处越来越细,最后在下部重力作用下拉断，形成针尖状结构。综上所述，制备出的针尖质量受到电压，浸入深度（下拉质量），液体浓度等的影响。本次实验的研究方向是探究电压对最终形状的关系。就此，我们使用STM针尖的液膜法，对电压影响进行定性研究。，结果与讨论首先，在讨论制备完美针尖之前，先要明确怎么样的才算完美。参照STM的工作原理，针尖的尺寸越

8、小，扫描出来的分辨率就越高，那么理想的针尖在其尖端应该只有一个原子。理想的针尖实验之前先从理论入手。可以想象，电压越大，做出来的针尖形状应该就会越稳定。因为当电压较小时，电解的时间就比较长，那么拉断的动作属于积累过程因而不够迅速，会使得拉出的针尖呈