扫描隧道显微镜与原子力显微镜.ppt

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1、原子力显微镜（扫描探针显微镜）AFM（SPM）一、显微镜的发展光学显微镜高级显微镜光学显微镜16世纪末，荷兰的眼镜商ZacchariasJanssen,第一台复合式显微镜，倍数太低Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍高级显微镜1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinni

2、g和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测STM的原理是电子的“隧道效应”，只能测导体和部分半导体1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足按经典力学的观点:若EV。时,粒子才糍穿过垒区。量子力学观点：由于微观粒子不能忽略的波动性，即使E

3、穿效应成功地解释了原子核的α衰变。１．电子隧道效应二、描隧道显微镜（STM）附录：隧道效应的物理定性解释在量子力学中，测不准原理说明，不可能同时得到粒子速度和坐标位置的准确值，这意味着不可同时得到粒子的动能和位能的准确值。因此，即使E

4、ψ

5、2≠0，即在有势垒找到粒子的几率的几率不为0。有限一维势垒（参见前图）中，设势场为：在量子力学

6、中，无论E>V。,还是EV。时，一维的定态薛定谔方程为解得和分别是x<0中的入射波和反射波，和分别是中的沿0a区的透射波。设D为透射几率，R为反射几率，可以求得：由上式可知，即使E>V。，在量子力学里，也不是所有的粒子都能穿过势垒，能通过势垒的只是入射流中的一部分，而另一部分则被势垒反射。EV。时的情况一样，既有反射波，又有透射波，即低能粒子能穿过能量高于自身的势垒，到达势垒的另一边。隧

7、道效应得到量子力学完美的解释。2．工作原理由量子力学可知，金属表面以外的电子密度随x增大而按指数衰减，衰减长度约为1nm。隧道电流如将两块金属靠得很近（距离小于1nm），它们表面的电子云就会发生重叠。如在这两金属间加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流。隧道电流的大小与哪些因素有关？隧道电流与两金属电极的间距s及平均线衰减常数Ko的关系为对于两块均匀金属的表面，STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图：将一块已知功函数的电极做成针尖状，作为探针。在另一电极（样品）表面扫描，并保持两者相距1nm，则隧道电流满足关系:如s以0.1n

8、m为单位。则A的量值为1。当s变化0.1nm时，J就会有数量级的变化。恒电流模式:利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。STM工作原理在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局

9、域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。恒高度模式恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。STM的原理虽然简单，但设计和制作却十分困难。主要技术难点包括：（1）消除各种震动的影响，使探针——表面的间隙保持恒定；（2）采用特殊技术使探针——表面的间隙保持为1nm；（3）制作稳定而又能保证原子

10、分辨率的探针针尖；（4）保证足够的扫描速度和扫描范围。3．特点（1）可在真实空间直接得出表面结构的三维图象。放大倍数可达数千万倍。横向分辨率和纵向分辨率分别达到0.1nm和0.005nm。（2）不需任何光学透镜或电子透镜