电镜的基本原理(3)AFM-和-STM.ppt

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1、第一章电镜的基本原理和构造第三节扫描隧道显微镜与原子力显微镜一、扫描隧道显微镜（STM）80年代初，G.Binnig和H.Rohrer等人发明了扫描隧道显微镜（STM），使原位观察固体表面的单个原子的排列状况成为可能。以扫描隧道电子显微镜为基础，1986年G.Binnig又发明了可用于绝缘体检测、分析的原子力显微镜（AFM)。扫描隧道电子显微镜的原理：不同于传统意义上的电子显微镜．它是利用电子在原子间的量子隧穿效应。将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间

2、的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。是不是利用对电子波的吸收成像呢？STM的原理是电子的“隧道效应”，所以只能测导体和部分半导体扫描隧道和原子力电子显微镜一般扫描电子显微镜放大倍数为几十万倍．透射电子显微镜的放大倍数可达百万倍以上扫描隧道电子显微镜的放大倍数通常可达几千万倍‹‹用STM测量高定向热解石墨电子隧道效应（a）隧道效应（两金属靠得很近，ΨT1与ΨT2是贯穿隧道的电子波）返回（b）隧道电流的形成（加适当电位V，贯穿隧道的电子定向流动）STM的工作原理扫描隧道显微镜以原子尺度的极细探针(针尖)

3、及样品(表面)作为电极，当针尖与样品表面非常接近(约1nm)时，在偏压作用下产生隧道电流。隧道电流(强度)随针尖与样品间距(s)成指数规律变化。STM工作原理图两种工作模式恒电流工作模式恒高度工作模式（a）（b）图1扫描模式示意图（a）恒电流模式；（b）恒高度模式S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在z方向高度的反馈电压。恒电流工作模式沿表面扫描过程中，反馈电路接受由于样品表面原子排列变化（样品表面起伏的变化）引起的电压信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿z方向上下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变。返回恒高度工作模式沿扫描过

4、程中，探针保持在同一高度，随样品表面起伏的变化（针尖与样品表面间距变化），隧道电流不断的变化。扫描隧道谱（STS）定义：在表面给定和固体的探针样品的间距下，使样品的偏压（V）从负几V~正几V连续扫描,同时测量隧道电流，从而获得隧道电流随偏压的变化（I-V或DI/DV-V曲线）,称为扫描隧道谱（STS）。返回STM的特点具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向（横向和纵向）的分辨率为≤0.1nm和≤0.01nm，可以分辨出单个原子。可实时得到样品表面三维（结构）图像。可在真空、大气、常温、高温下工作，甚至可将样品浸在水或其他溶液中。而且不破坏

5、样品。STM的运用STM最初主要用于金属、半导体和超导体等的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析，还可以直接观测到样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷等。超真空STM可以原位观察、分析表面吸附和催化，研究表面外延生长和界面状态等。超高温真空STM还可以观察分析相变及上述各种现象的动力学过程。STM的局限性不能探测样品的深层信息，无法直接观测绝缘体，探针扫描范围小，探针质量依赖于操作者的经验等。P47多模式扫描探针显微镜主要性能指标：样品尺寸：4040毫米,厚度10毫米扫描器范围：14141.4微米50503微米最小步进

6、值：0.02埃0.07埃X,Y方向D/A:22bitsZ方向分辨率：0.25埃数据采集通道数：4隧道电流测量范围：30pA-50nA(标准STM探头)3pA-5nA(低电流STM探头）最大扫描点数：10001000减震系统：悬挂减震样品定位：手动螺旋测微器（选件）定位精度：5微米定位范围：55毫米光学显微镜：双筒长焦距光学显微镜（选件）放大倍率:8.4x-100x(使用14倍目镜)彩色CCD摄象机:>470线，43x-470x(选件）彩色监视器:>500线,14“(选件）原子艺术扫描隧道显微镜下的美丽图像纳米算盘硅表利用STM操纵Fe原子与CO分子生

7、成Fe(CO)x的过程模拟图显微拍摄图二、原子力显微镜（AtomicForceMicroscope，AFM）原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。原子力显微镜(AFM)的两种工作模式：接触式（Contact)和轻敲式(Tapping)__AFM原于力显微镜与TEM和SEM比有明显不同，它用一个微小的探针来“摸索”微观世界.AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息．典型AFM的侧向分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分

8、辩牢(Z方向)小于0．1nm．AFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制