掃描隧道顯微鏡102頁PPT

1、掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡一、引言 1982年，年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛瑞士蘇黎士實驗室的葛賓尼賓尼（GBinning）和海）和海羅雷爾（羅雷爾（HRohrer）研 制 出 世 界 上 第 一 臺 掃 描 隧 道 顯 微 鏡研 制 出 世 界 上 第 一 臺 掃 描 隧 道 顯 微 鏡（Scanning Tunnelling MicroscoPe，簡稱，簡稱STM）STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生

2、命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一為表彰年代世界十大科技成就之一為表彰STM的發(fā)的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金 原子的概念至少可以追溯到一千年原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特時代，但在漫長的歲月前的德莫克利特時代，但在漫長的歲月中，原子還只是假設(shè)而并非可觀測到的中，原子還只是假設(shè)而并非可觀測到的客體客體. 人的眼睛不

3、能直接觀察到比人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，光學(xué)顯更小的物體或物質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，光學(xué)顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到的分辨率只能達(dá)到10-7m. 電子顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了物質(zhì)電子顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，掃描電子微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，掃描電子顯微鏡（顯微鏡（SEM）的分辨率為）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描

4、透射電子顯微鏡和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以）可以達(dá)到原子級的分辨率達(dá)到原子級的分辨率0Inm，但主要用于薄層樣品的體相和界面但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)和真空條件和真空條件 場離子顯微鏡（場離子顯微鏡（FIM）是一種能）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測半徑小于只能探測半徑小于 100 nm的針尖上的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣品制備復(fù)雜，可用來作為樣品的材品制備復(fù)雜，可用來作為樣品的材料也十分有限料也十分有限. X射線衍射和低能電射線衍射和低能電

5、子衍射等原子級分辨儀器，不能給子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行研究晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行研究 與其他表面分析技術(shù)相比，與其他表面分析技術(shù)相比，STM具具有如下獨特的優(yōu)點：有如下獨特的優(yōu)點： 1. 具有原子級高分辨率，具有原子級高分辨率，STM 在平在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá)行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá) 0I nm 和和 001 nm，即可以分辨出，即可以分辨出單個原子單個原子 這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪米加工技

6、術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。制出的世界上最小的中國地圖。2可實時得到實空間中樣品表面的三維可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實時觀察的性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動態(tài)過程的研究能可用于表面擴(kuò)散等動態(tài)過程的研究 3可以觀察單個原子層的局部表面可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對體相或整個表面的平均性結(jié)構(gòu)，而不是對體相或整個表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸

7、構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等附體引起的表面重構(gòu)等硅硅111面面7 7原子重構(gòu)象原子重構(gòu)象 為了得到表面清潔的硅片單質(zhì)材料，要對為了得到表面清潔的硅片單質(zhì)材料，要對硅片進(jìn)行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火硅片進(jìn)行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進(jìn)行重新組合，結(jié)處理的過程中硅表面的原子進(jìn)行重新組合，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構(gòu)。構(gòu)發(fā)生較大變化，這就是所謂的重構(gòu)。 4可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對不需要特別

8、的制樣技術(shù)并且探測過程對樣品無損傷這些特點特別適用于研究生樣品無損傷這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機(jī)理、超一身地評價，例如對于多相催化機(jī)理、超一身地創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。測等。液體中觀察原子圖象液體中觀察原子圖象 下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶在銅單晶(111)表面的表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態(tài)的一級和二級結(jié)構(gòu)清晰可見。附狀態(tài)的一級和二級結(jié)構(gòu)清晰可見。 5配

9、合掃描隧道譜（配合掃描隧道譜（STS）可以得）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等 6利用利用STM針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)定了基礎(chǔ)1990年，年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項令世公司的科學(xué)家展示了一項令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們在金屬鎳表面用人瞠目結(jié)舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成個惰性氣體氙原子

10、組成“IBM”三個英文字母。三個英文字母。二隧道電流二隧道電流 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力學(xué)中的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個粒子的動能個粒子的動能E低于前方勢壘的高度低于前方勢壘的高度V0時，時，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比

11、它能量更高的也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘勢壘(如圖如圖1)這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計算，透射隧道效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計算，透射系數(shù)系數(shù)T為：為： 022()02016()am VEE VETeV 由式由式(1)可見，可見，T與勢壘寬度與勢壘寬度a，能量差，能量差(V0-E)以及粒子的質(zhì)量以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的有著很敏感的關(guān)系。隨著勢壘厚關(guān)系。隨著勢壘厚(寬寬)度度a的增加，的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實驗將指數(shù)衰減，因

12、此在一般的宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。 掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近 (通常小于通常小于1nm) 時，在外加電場的作用下，時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。電極。 隧道電流隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數(shù)以及平均功函數(shù)有關(guān)

13、：有關(guān)： 12exp()bIVAS 式中式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)電壓，平均功函數(shù) )(21211 1和和2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為為常數(shù)，在真空條件下約等于常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道探針一。隧道探針一般采用直徑小于般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑鉑-銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。性才可以產(chǎn)生隧道電流。 由式由式(2)可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖和可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距樣品之間的距離

14、有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對息，如果同時對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。掃描隧道顯微鏡的工作原理。 二掃描隧道顯微鏡的工作原理二掃描隧道顯微鏡的工作原理 掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式恒電流模式和和恒高度模式恒高

15、度模式。 a) 恒電流模式：恒電流模式：如圖（如圖（a）所示，）所示， x-y方向進(jìn)行掃描，在方向進(jìn)行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時，反饋系針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或?qū)⑨樇庠跇悠繁砻鎾呙钑r的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。

16、此模式可用來觀察表的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方方向上驅(qū)動的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。向上驅(qū)動的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。 b) 恒高度模式：恒高度模式：如圖如圖(b)所示，在掃描所示，在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。的樣品。實驗儀器和樣品一、隧道針尖一、隧道針尖 隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)

17、隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，鏡圖象的分辨率和圖象的形狀， 而且也影響著測定的電子態(tài)。而且也影響著測定的電子態(tài)。 針尖的宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)使得針尖具有高的針尖的宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子

18、級分電流就會很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學(xué)純度高，就不會涉辨的圖象。針尖的化學(xué)純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，而導(dǎo)致針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。二者就發(fā)生碰撞。 目前制備針尖的方法主要有電化學(xué)腐蝕法、目前制備針尖的方法主要有電化學(xué)腐蝕法、機(jī)械成型法等。制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、機(jī)械成型法等。制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑鉑-銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學(xué)腐蝕法。銥合金絲等。鎢針尖的制

19、備常用電化學(xué)腐蝕法。而鉑而鉑-銥合金針尖則多用機(jī)械成型法，一般直接用銥合金針尖則多用機(jī)械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆剪刀剪切而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質(zhì)，這經(jīng)常是蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質(zhì)，這經(jīng)常是造成隧道電流不穩(wěn)、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖造成隧道電流不穩(wěn)、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預(yù)期性的原因象的不可預(yù)期性的原因。因此，每次實驗前，都因此，每次實驗前，都要對針尖進(jìn)行處理，一般用化學(xué)法清洗，去除表要對針尖進(jìn)行處理，一般用化學(xué)法清洗，去除表面的氧化層及雜質(zhì)，保證針尖具有良好的導(dǎo)電性。面的氧化層及雜質(zhì)，保證針尖具有良

20、好的導(dǎo)電性。二三維掃描控制器二三維掃描控制器 壓電陶瓷壓電陶瓷由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為料作為x-y-z掃描控制器件。掃描控制器件。 所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機(jī)械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電場，或給晶體機(jī)械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電場，或給晶體加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電許多化合物的單晶，

21、如石英等都具有壓電性質(zhì)，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，性質(zhì)，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛例如鈦酸鋯酸鉛Pb(Ti,Zr)O3(簡稱簡稱PZT)和和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將將1mV-1000V的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。一納米到幾微米的位移。2三維掃描控制器三維掃描控制器 用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。左圖給出了這幾種類型的結(jié)構(gòu)型等幾種。左圖給出了這幾種類型的結(jié)構(gòu)

22、示意簡圖，其中：示意簡圖，其中： (a)為三腳架型，由三根獨立的長棱柱型壓為三腳架型，由三根獨立的長棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結(jié)合在一起，電陶瓷材料以相互正交的方向結(jié)合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動。三個方向運動。 (b)為單管型，陶瓷管的外部電極分成為單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮分就會伸展或收縮(由電壓的正負(fù)和壓電陶由電

23、壓的正負(fù)和壓電陶瓷的極化方向決定瓷的極化方向決定)，導(dǎo)致陶瓷管向垂直于，導(dǎo)致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現(xiàn)在上按一定順序施加電壓就可以實現(xiàn)在x-y方方向的相互垂直移動。在向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過方向的運動是通過在管子內(nèi)壁電極施加電壓使管子整體收縮在管子內(nèi)壁電極施加電壓使管子整體收縮實現(xiàn)的。管子外壁的另外兩個電極可同時實現(xiàn)的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側(cè)膨脹，相施加相反符號的電壓使管子一側(cè)膨脹，相對的另一側(cè)收縮，增加掃描范圍，亦可以對的另一側(cè)收縮，增加掃描范圍，亦可以加

24、上直流偏置電壓，用于調(diào)節(jié)掃描區(qū)域。加上直流偏置電壓，用于調(diào)節(jié)掃描區(qū)域。 (c)為十字架配合單管型，為十字架配合單管型，z方向的運方向的運動由處在動由處在“十十”字型中心的一個壓電陶瓷字型中心的一個壓電陶瓷管完成，管完成，x和和y掃描電壓以大小相同、符號掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對相反的方式分別加在一對x、-x和和y、-y上。上。這種結(jié)構(gòu)的這種結(jié)構(gòu)的x-y掃描單元是一種互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，掃描單元是一種互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上補(bǔ)償熱漂移的影響?？梢栽谝欢ǔ潭壬涎a(bǔ)償熱漂移的影響。 Binnis和和Rohrer等人早期在等人早期在IBM蘇黎世實驗室設(shè)計的蘇黎世實驗室設(shè)計的STM中，中，采用

25、一個叫作采用一個叫作“虱子虱子”（Louse）的粗調(diào)驅(qū)動器（見下圖）的粗調(diào)驅(qū)動器（見下圖） 圖圖 樣品粗樣品粗調(diào)驅(qū)動器調(diào)驅(qū)動器 粗調(diào)驅(qū)動器粗調(diào)驅(qū)動器(L)由連成由連成三角形的三條相互絕三角形的三條相互絕緣的壓電陶瓷材料和緣的壓電陶瓷材料和三只金屬腳（三只金屬腳（MF）構(gòu)）構(gòu)成成MF外鍍一層高絕外鍍一層高絕緣薄膜，使其與水平緣薄膜，使其與水平金屬臺板金屬臺板(GP)高度絕高度絕緣在緣在MF和和GP之間之間加上電壓，由于靜電加上電壓，由于靜電作用作用MF就被吸在就被吸在GP上，去掉電壓，上，去掉電壓，MF則則被被“釋放釋放” 如果把兩只如果把兩只MF固定在固定在GP上，同時在構(gòu)成三角形上，同時在構(gòu)

26、成三角形的壓電陶瓷條中的相應(yīng)兩條施加電壓，由于這兩的壓電陶瓷條中的相應(yīng)兩條施加電壓，由于這兩條壓電陶瓷材料的膨脹或收縮（依據(jù)所加電壓的條壓電陶瓷材料的膨脹或收縮（依據(jù)所加電壓的符號），另一只沒有固定的符號），另一只沒有固定的MF就會作微小移就會作微小移動再把這只動再把這只MF固定而放松前兩只固定而放松前兩只MF，同時去，同時去掉加在壓電陶瓷上的電壓，使其長度復(fù)原這一掉加在壓電陶瓷上的電壓，使其長度復(fù)原這一循環(huán)的結(jié)果是循環(huán)的結(jié)果是“虱子虱子”爬行了一步以適當(dāng)?shù)捻樞蚺佬辛艘徊揭赃m當(dāng)?shù)捻樞蚩刂萍釉趬弘娞沾缮虾涂刂萍釉趬弘娞沾缮虾蚆F上的電壓和頻率，可上的電壓和頻率，可以使以使“虱子虱子”在在 GP上

27、沿不同方向一步步爬上沿不同方向一步步爬行一般每步在行一般每步在10m 至許至許1m之間，每之間，每 秒可秒可爬行爬行30步用這個方法可以把樣品移動到與探針步用這個方法可以把樣品移動到與探針適當(dāng)?shù)木嚯x和位置，也可以把樣品從探針處移開，適當(dāng)?shù)木嚯x和位置，也可以把樣品從探針處移開，以便作清潔處理和其它測量以便作清潔處理和其它測量 最近美國最近美國Burleigh儀器公司推出一種壓電儀器公司推出一種壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)，其工作原理示于下圖陶瓷步進(jìn)馬達(dá)，其工作原理示于下圖 總結(jié)各種樣品與針尖粗調(diào)機(jī)構(gòu)，主要可以分為總結(jié)各種樣品與針尖粗調(diào)機(jī)構(gòu)，主要可以分為下三種：下三種： （1）爬行方式：利用靜電力、機(jī)械力或磁

28、力的夾）爬行方式：利用靜電力、機(jī)械力或磁力的夾緊，并配合壓電陶瓷材料的膨脹或收縮，使樣品緊，并配合壓電陶瓷材料的膨脹或收縮，使樣品架或什尖向前爬行，如前所述架或什尖向前爬行，如前所述“虱子虱子”型的樣品型的樣品移動臺和壓電陶瓷步進(jìn)電機(jī)都屬于這一種移動臺和壓電陶瓷步進(jìn)電機(jī)都屬于這一種 （2）機(jī)械調(diào)節(jié)方式：利用一個或多個高精度的）機(jī)械調(diào)節(jié)方式：利用一個或多個高精度的差分調(diào)節(jié)螺桿，配合減速原理靠機(jī)械力調(diào)節(jié)樣品差分調(diào)節(jié)螺桿，配合減速原理靠機(jī)械力調(diào)節(jié)樣品的位置當(dāng)然差分調(diào)節(jié)螺桿的旋轉(zhuǎn)可以手動，亦的位置當(dāng)然差分調(diào)節(jié)螺桿的旋轉(zhuǎn)可以手動，亦可由步進(jìn)電機(jī)等方式驅(qū)動可由步進(jìn)電機(jī)等方式驅(qū)動 （3）螺桿與簧片結(jié)合方式：

29、用一個高精度調(diào)節(jié)）螺桿與簧片結(jié)合方式：用一個高精度調(diào)節(jié)螺桿直接頂住一個差分彈簧或責(zé)片系統(tǒng)來調(diào)節(jié)螺桿直接頂住一個差分彈簧或責(zé)片系統(tǒng)來調(diào)節(jié) 各種方式都各有千秋，第一種方式常在真空條件各種方式都各有千秋，第一種方式常在真空條件下使用，第二種方式在大氣環(huán)境中用的較多，而下使用，第二種方式在大氣環(huán)境中用的較多，而在低溫條件下，多采用第三種方式在低溫條件下，多采用第三種方式三減震系統(tǒng)三減震系統(tǒng) 由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)，同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動都會對儀器的關(guān)系，因此任何微小的震動都會對儀器的

30、穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。率與儀器的固有頻率入手。 外界震動如建筑物的震動，通風(fēng)管道、變外界震動如建筑物的震動，通風(fēng)管道、變壓器和馬達(dá)的震動、工作人員所引起的震壓器和馬達(dá)的震動、工作人員所引起的震動等，其頻率一般在動等，其頻率一般在1到到100Hz之間，因此之間，因此隔絕震動的方法主要是靠提高儀器的固有隔絕震動的方法主要是靠提高儀器的固有頻率和使用震動阻尼系統(tǒng)。頻率和使用震動阻尼系統(tǒng)

31、。 掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產(chǎn)生用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產(chǎn)生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。分之幾甚至是百分之幾。 除此之外，儀器中經(jīng)常對探測部分采用彈除此之外，儀器中經(jīng)常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數(shù)小，簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數(shù)小，共振頻率較小共振頻率較小(約為約為0.5Hz)，但其阻尼小，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。常常要附加其它減震措施。

32、在一般情況下，以上兩種減震措施基本上在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀器的減震要求。能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀器的減震要求。某些特殊情況，對儀器性能要求較高時，某些特殊情況，對儀器性能要求較高時，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時，探測部分措施。測量時，探測部分(探針和樣品探針和樣品)通常通常罩在金屬罩內(nèi)，金屬罩的作用主要是對外罩在金屬罩內(nèi)，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進(jìn)行界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進(jìn)行屏蔽，提高探測的準(zhǔn)確性。屏蔽，提高探測的準(zhǔn)確性。四電子學(xué)控制系統(tǒng)四電子學(xué)控制系統(tǒng) 掃描隧

33、道顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此，掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng)，因此，電子學(xué)控制系統(tǒng)也是一個重要的部分。掃描隧道電子學(xué)控制系統(tǒng)也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，使探針顯微鏡要用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)

34、來實現(xiàn)的。圖電子學(xué)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。圖1給出了掃描隧道給出了掃描隧道顯微鏡電子學(xué)控制控制系統(tǒng)的框圖。顯微鏡電子學(xué)控制控制系統(tǒng)的框圖。 該電子反饋系統(tǒng)最主要的是反饋功能，這里采用該電子反饋系統(tǒng)最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統(tǒng)，即針尖與樣品之間的偏壓由的是模擬反饋系統(tǒng)，即針尖與樣品之間的偏壓由計算機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換通道給出，再通過計算機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換通道給出，再通過X、Y、Z偏壓偏壓控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進(jìn)而控制針尖的控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進(jìn)而控制針尖的掃描。電子學(xué)控制系統(tǒng)中的一些參數(shù)，如隧道電掃描。電子學(xué)控制系統(tǒng)中的一些參數(shù)，如隧道電流、針尖偏壓的設(shè)定值，反饋速度的快慢等，都流、針尖偏

35、壓的設(shè)定值，反饋速度的快慢等，都隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這些參量是可以調(diào)節(jié)的。一般在計算機(jī)軟件中可以些參量是可以調(diào)節(jié)的。一般在計算機(jī)軟件中可以設(shè)置和調(diào)節(jié)這些數(shù)值，也可以直接通過電子學(xué)控設(shè)置和調(diào)節(jié)這些數(shù)值，也可以直接通過電子學(xué)控制機(jī)箱上的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。制機(jī)箱上的旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。五在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟五在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件件 在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中，計在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中，計算機(jī)軟件所起的作用主要分為在線掃描控算機(jī)軟件所起的作用主要分為在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)分析兩部分制和離線數(shù)據(jù)分析兩部分 （一）（一）

36、 在線掃描控制在線掃描控制 1參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置 在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機(jī)軟件主在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機(jī)軟件主要實現(xiàn)掃描時的一些基本參數(shù)的設(shè)定、調(diào)要實現(xiàn)掃描時的一些基本參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據(jù)節(jié)，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據(jù)圖象等。計算機(jī)軟件將通過計算機(jī)接口實圖象等。計算機(jī)軟件將通過計算機(jī)接口實現(xiàn)與電子設(shè)備間的協(xié)調(diào)共同工作。在線掃現(xiàn)與電子設(shè)備間的協(xié)調(diào)共同工作。在線掃描控制中一些參數(shù)的設(shè)置功能如下：描控制中一些參數(shù)的設(shè)置功能如下： “電流設(shè)定電流設(shè)定”的數(shù)值意味著恒電流模式中要的數(shù)值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表著恒電流掃描過保持的恒定電流，也

37、代表著恒電流掃描過程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數(shù)值設(shè)定越大，這一恒定距離也越小。測數(shù)值設(shè)定越大，這一恒定距離也越小。測量時量時“電流設(shè)定電流設(shè)定”一般在一般在“0.5-1.0nA” 范范圍內(nèi)。圍內(nèi)。 “針尖偏壓針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用是指加在針尖和樣品之間、用于產(chǎn)生隧道電流的電壓真實值。這一數(shù)值于產(chǎn)生隧道電流的電壓真實值。這一數(shù)值設(shè)定越大，針尖和樣品之間越容易產(chǎn)生隧設(shè)定越大，針尖和樣品之間越容易產(chǎn)生隧道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越小，恒高度掃描模式中產(chǎn)生的隧道電流也小，恒高度掃描模式中產(chǎn)生的隧道電

38、流也越大。越大。“針尖偏壓針尖偏壓”值一般設(shè)定在值一般設(shè)定在“50-100mV”范圍左右。范圍左右。 “Z電壓電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實電壓。陶瓷材料上的真實電壓。Z電壓的初始值決電壓的初始值決定了壓電陶瓷的初始狀態(tài)，隨著掃描的進(jìn)定了壓電陶瓷的初始狀態(tài)，隨著掃描的進(jìn)行，這一數(shù)值要發(fā)生變化。行，這一數(shù)值要發(fā)生變化?！癦電壓電壓”在探在探針遠(yuǎn)離樣品時的初始值一般設(shè)定在針遠(yuǎn)離樣品時的初始值一般設(shè)定在“-150.0mV -200.0mV”左右。左右。 “采集目標(biāo)采集目標(biāo)”包括包括“高度高度”和和“隧道電流隧道電流”兩個兩個選項，選擇掃描時采集的是樣品

39、表面高度變化的選項，選擇掃描時采集的是樣品表面高度變化的信息還是隧道電流變化的信息。信息還是隧道電流變化的信息。 “輸出方式輸出方式”決定了將采集到的數(shù)據(jù)顯示成為圖決定了將采集到的數(shù)據(jù)顯示成為圖象還是顯示成為曲線。象還是顯示成為曲線。 “掃描速度掃描速度”可以控制探針掃描時的延遲時間，可以控制探針掃描時的延遲時間，該值越小，掃描越快。該值越小，掃描越快。 “角度走向角度走向”是指探針?biāo)揭苿拥钠D(zhuǎn)方向，改是指探針?biāo)揭苿拥钠D(zhuǎn)方向，改變角度的數(shù)值，會使掃描得到的圖象發(fā)生旋轉(zhuǎn)。變角度的數(shù)值，會使掃描得到的圖象發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 “尺寸尺寸”是設(shè)置探針掃描區(qū)域的大小，其調(diào)節(jié)的最大值有量程決是設(shè)置探針掃描區(qū)

40、域的大小，其調(diào)節(jié)的最大值有量程決定。尺寸越小，掃描的精度也越高，改變尺寸的數(shù)值可以產(chǎn)生掃定。尺寸越小，掃描的精度也越高，改變尺寸的數(shù)值可以產(chǎn)生掃描圖象的放大與縮小的作用。描圖象的放大與縮小的作用。 “中心偏移中心偏移”是指掃描的起始位置與樣品和針尖剛放好時的偏移是指掃描的起始位置與樣品和針尖剛放好時的偏移距離，改變中心偏移的數(shù)值能使針尖發(fā)生微小尺度的偏移。中心距離，改變中心偏移的數(shù)值能使針尖發(fā)生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是當(dāng)前量程決定的最大尺寸。偏移的最大偏移量是當(dāng)前量程決定的最大尺寸。 “工作模式工作模式”決定掃描模式是恒電流模式還是恒高度模式。決定掃描模式是恒電流模式還是恒高度模

41、式。 “斜面校正斜面校正”是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時所做的軟件校是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時所做的軟件校正。正。 “往復(fù)掃描往復(fù)掃描”決定是否進(jìn)行來回往復(fù)掃描。決定是否進(jìn)行來回往復(fù)掃描。 “量程量程”是設(shè)置掃描時的探測精度和最大掃描尺寸的大小。是設(shè)置掃描時的探測精度和最大掃描尺寸的大小。 這些參數(shù)的設(shè)置除了利用在線掃描軟件外，利用電子系統(tǒng)中的電這些參數(shù)的設(shè)置除了利用在線掃描軟件外，利用電子系統(tǒng)中的電子控制箱上的旋鈕也可以設(shè)置和調(diào)節(jié)這些參數(shù)。子控制箱上的旋鈕也可以設(shè)置和調(diào)節(jié)這些參數(shù)。2馬達(dá)控制馬達(dá)控制 軟件控制馬達(dá)使針尖逼近樣品，首先要確保軟件控制馬達(dá)使針尖逼近樣品，首先要確保電動馬達(dá)

42、控制器的紅色按鈕處于彈起狀態(tài)，否則電動馬達(dá)控制器的紅色按鈕處于彈起狀態(tài)，否則探頭部分只受電子學(xué)控制系統(tǒng)控制，計算機(jī)軟件探頭部分只受電子學(xué)控制系統(tǒng)控制，計算機(jī)軟件對馬達(dá)的控制不起作用。馬達(dá)控制軟件將控制電對馬達(dá)的控制不起作用。馬達(dá)控制軟件將控制電動馬達(dá)以一個微小的步長轉(zhuǎn)動，使針尖緩慢靠近動馬達(dá)以一個微小的步長轉(zhuǎn)動，使針尖緩慢靠近樣品，直到進(jìn)入隧道區(qū)為止。樣品，直到進(jìn)入隧道區(qū)為止。 馬達(dá)控制的操作方式為：馬達(dá)控制的操作方式為：“馬達(dá)控制馬達(dá)控制”選擇選擇“進(jìn)進(jìn)”，點擊，點擊“連續(xù)連續(xù)”按鈕進(jìn)行連續(xù)逼近，當(dāng)檢按鈕進(jìn)行連續(xù)逼近，當(dāng)檢測到的隧道電流達(dá)到一定數(shù)值后，計算機(jī)會進(jìn)行測到的隧道電流達(dá)到一定數(shù)值后

43、，計算機(jī)會進(jìn)行警告提示，并自動停止逼近，此時單擊警告提示，并自動停止逼近，此時單擊“單步單步”按鈕，直到按鈕，直到“Z電壓電壓”的數(shù)值接近零時停止逼近，的數(shù)值接近零時停止逼近，完成馬達(dá)控制操作。完成馬達(dá)控制操作。（二）（二） 離線數(shù)據(jù)分析離線數(shù)據(jù)分析 離線數(shù)據(jù)分析是指脫離掃描過程之后的針對離線數(shù)據(jù)分析是指脫離掃描過程之后的針對保存下來的圖象數(shù)據(jù)的各種分析與處理工作。常保存下來的圖象數(shù)據(jù)的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立葉變換、圖象反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、三維生成等。葉變換、圖象反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、三維生成等。 平滑：平滑：平滑的主要

44、作用是使圖象中的高低變平滑的主要作用是使圖象中的高低變化趨于平緩，消除數(shù)據(jù)點發(fā)生突變的情況?；呌谄骄?，消除數(shù)據(jù)點發(fā)生突變的情況。 濾波：濾波：濾波的基本作用是可將一系列數(shù)據(jù)中濾波的基本作用是可將一系列數(shù)據(jù)中過高的削低、過低的添平。因此，對于測量過程過高的削低、過低的添平。因此，對于測量過程中由于針尖抖動或其它擾動給圖象帶來的很多毛中由于針尖抖動或其它擾動給圖象帶來的很多毛刺，采用濾波的方式可以大大消除。刺，采用濾波的方式可以大大消除。 傅立葉變換：快速傅立葉變換對于研究原子圖象傅立葉變換：快速傅立葉變換對于研究原子圖象的周期性時很有效。的周期性時很有效。 圖象反轉(zhuǎn)：將圖象進(jìn)行黑白反轉(zhuǎn)，會帶來

45、意想不圖象反轉(zhuǎn)：將圖象進(jìn)行黑白反轉(zhuǎn)，會帶來意想不到的視覺效果。到的視覺效果。 數(shù)據(jù)統(tǒng)計：用統(tǒng)計學(xué)的方式對圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計數(shù)據(jù)統(tǒng)計：用統(tǒng)計學(xué)的方式對圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。分析。 三維生成：根據(jù)掃描所得的表面型貌的二維圖象，三維生成：根據(jù)掃描所得的表面型貌的二維圖象，生成直觀美麗的三維圖象。生成直觀美麗的三維圖象。 大多數(shù)的軟件中還提供很多其它功能，綜合運用大多數(shù)的軟件中還提供很多其它功能，綜合運用各種數(shù)據(jù)處理手段，最終得到自己滿意的圖象。各種數(shù)據(jù)處理手段，最終得到自己滿意的圖象。 六測量用樣品六測量用樣品 1光柵樣品光柵樣品 理想的光柵表面形貌如圖，為理想的光柵表面形貌如圖，為1mX1m的的光柵

46、表面形貌圖。使用掃描隧道顯微鏡，對于這光柵表面形貌圖。使用掃描隧道顯微鏡，對于這種已知的樣品，很容易測得它的表面形貌的信息。種已知的樣品，很容易測得它的表面形貌的信息。新鮮的光柵表面沒有缺陷，若在測量過程中發(fā)生新鮮的光柵表面沒有缺陷，若在測量過程中發(fā)生了撞針現(xiàn)象，則容易造成人為的光柵表面的物理了撞針現(xiàn)象，則容易造成人為的光柵表面的物理損壞，或者損壞掃描針尖。在這種情況下往往很損壞，或者損壞掃描針尖。在這種情況下往往很難得到清晰的掃描圖象。此時，除了采取重新處難得到清晰的掃描圖象。此時，除了采取重新處理針尖措施外，適當(dāng)?shù)母淖円幌聵悠贩胖玫奈恢?，理針尖措施外，適當(dāng)?shù)母淖円幌聵悠贩胖玫奈恢?，選擇適當(dāng)

47、的區(qū)域進(jìn)行掃描也是必要的。選擇適當(dāng)?shù)膮^(qū)域進(jìn)行掃描也是必要的。2石墨樣品石墨樣品 當(dāng)用掃描隧道顯微鏡掃描原子圖象時，通常當(dāng)用掃描隧道顯微鏡掃描原子圖象時，通常選用石墨作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。石墨中原子排列呈層狀，選用石墨作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。石墨中原子排列呈層狀，而每一層中的原子則呈周期排列，表面形貌如右而每一層中的原子則呈周期排列，表面形貌如右圖。由于石墨在空氣中容易氧化，因此在測量前圖。由于石墨在空氣中容易氧化，因此在測量前應(yīng)首先將表面一層揭開（通常用粘膠帶紙粘去表應(yīng)首先將表面一層揭開（通常用粘膠帶紙粘去表面層），露出石墨的新鮮表面，再進(jìn)行測量。因面層），露出石墨的新鮮表面，再進(jìn)行測量。因為此時要得到的是原子

48、的排列圖象，而任何一個為此時要得到的是原子的排列圖象，而任何一個外界微小的擾動，都會造成嚴(yán)重的干擾。因此，外界微小的擾動，都會造成嚴(yán)重的干擾。因此，測量原子必須在一個安靜、平穩(wěn)的環(huán)境中進(jìn)行，測量原子必須在一個安靜、平穩(wěn)的環(huán)境中進(jìn)行，對儀器的抗震及抗噪聲能力的要求也較高。對儀器的抗震及抗噪聲能力的要求也較高。3未知樣品未知樣品 通過對已知樣品的測量，我們可以確定針尖制備的好壞，選擇一個較好的針尖，對未知樣品進(jìn)行測量。通過對掃描所得的圖象進(jìn)行各種圖象處理，來分析未知樣品的表面形貌信息。實驗方法提示實驗方法提示 (1) 將一短長約三厘米的鉑銥合金絲放在丙將一短長約三厘米的鉑銥合金絲放在丙酮中洗盡，取

49、出后用經(jīng)丙酮清洗的剪刀剪酮中洗盡，取出后用經(jīng)丙酮清洗的剪刀剪尖，在放入丙酮中洗幾下（在此后的實驗尖，在放入丙酮中洗幾下（在此后的實驗中干萬不要碰針尖?。?。將探針后部略微中干萬不要碰針尖?。?。將探針后部略微彎曲，插入頭部的金屬管中固定，針尖露彎曲，插入頭部的金屬管中固定，針尖露出頭部約出頭部約5毫米。毫米。 (2) 將樣品放在樣品臺上，應(yīng)保持良好的電將樣品放在樣品臺上，應(yīng)保持良好的電接觸。將下部兩個螺旋測微頭向上旋起，接觸。將下部兩個螺旋測微頭向上旋起，然后把頭部輕輕放在之加上（要確保針尖然后把頭部輕輕放在之加上（要確保針尖與頭部間有一段距離），頭部兩邊用彈簧與頭部間有一段距離），頭部兩邊用彈簧

50、扣住。小心的調(diào)節(jié)螺旋測微頭，在針尖與扣住。小心的調(diào)節(jié)螺旋測微頭，在針尖與樣品間距約為樣品間距約為05mm處停住。處停住。 (3) 運行運行STM工作軟件，掃開控制箱，將工作軟件，掃開控制箱，將“隧道隧道電流電流”置為置為05 nA，“針尖偏壓針尖偏壓”置為置為50 mV，“積分積分”置為置為5.0，點擊，點擊“自動進(jìn)自動進(jìn) 至馬達(dá)自動至馬達(dá)自動停止。金的掃描范圍置為停止。金的掃描范圍置為800900 nm，光柵的，光柵的是是3000 nm左右。開始掃描?？牲c擊左右。開始掃描?？牲c擊“調(diào)色板適調(diào)色板適應(yīng)應(yīng)”以便得到合適的圖像對比度，并調(diào)節(jié)掃描角以便得到合適的圖像對比度，并調(diào)節(jié)掃描角度和速度，直到

51、獲得滿意的圖像為止。度和速度，直到獲得滿意的圖像為止。 一般，觀察到的金的表面由團(tuán)簇組成，而光一般，觀察到的金的表面由團(tuán)簇組成，而光柵的表面一般比較平整，條紋刻痕較淺，在不同柵的表面一般比較平整，條紋刻痕較淺，在不同角度觀察到的方向不同。角度觀察到的方向不同。(4) 實驗結(jié)束后，一定要實驗結(jié)束后，一定要 用用“馬達(dá)控制馬達(dá)控制”的的“連續(xù)退連續(xù)退”操作操作 將針尖退回，然后再關(guān)將針尖退回，然后再關(guān)閉實驗系統(tǒng)。閉實驗系統(tǒng)。(5) STM儀器比較精致，而且價格昂貴，操儀器比較精致，而且價格昂貴，操作過程中動作一定要輕，避免造成設(shè)備損作過程中動作一定要輕，避免造成設(shè)備損壞。壞。圖像處理： (1) 平

52、滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平均。平均。 (2) 斜面校正：選擇斜面的一個頂點，以斜面校正：選擇斜面的一個頂點，以該頂點為基點，現(xiàn)行增加該圖像的所有像該頂點為基點，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。數(shù)值，可多次操作。 (3) 中值濾波：中值濾波： (4) 傅立葉變換：對圖像的周期性很敏感，傅立葉變換：對圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時很有用。在做原子圖像掃描時很有用。課程安排 第一周：原理簡介與上機(jī)模擬；課后作手資料定向查詢并準(zhǔn)備實驗報告。第二周：演示與學(xué)生實驗：先用鐵絲作探針練習(xí)，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品（光柵）的測量。課后資料定向查

53、詢并完成實驗報告。課后資料定向查詢并完成實驗報告。 報告內(nèi)容報告內(nèi)容: 1. 心得、體會及建議；心得、體會及建議； 2. STM在某個領(lǐng)域的應(yīng)用或在某個領(lǐng)域的應(yīng)用或STM儀器的某儀器的某部件的原理部件的原理.實驗思考題：實驗思考題： 1掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什么是量子隧道效應(yīng)？么是量子隧道效應(yīng)？ 2掃描隧道顯微鏡主要常用的有哪幾種掃掃描隧道顯微鏡主要常用的有哪幾種掃描模式？各有什么特點？描模式？各有什么特點？ 3儀器中加在針尖與樣品間的偏壓是起什儀器中加在針尖與樣品間的偏壓是起什么作用的？針尖偏壓的大小對實驗結(jié)果有么作用的？針尖偏壓的大小對實驗結(jié)果有

54、何影響？何影響？ 4實驗中隧道電流設(shè)定的大小意味著什么？實驗中隧道電流設(shè)定的大小意味著什么？在掃描隧道顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)在掃描隧道顯微鏡基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型顯微鏡展起來的各種新型顯微鏡 在掃描隧道顯微鏡出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了在掃描隧道顯微鏡出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列新型的掃描探針顯微鏡，例如，原子力顯一系列新型的掃描探針顯微鏡，例如，原子力顯微鏡（微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（）、激光力顯微鏡（LFM）、磁力）、磁力顯 微 鏡 （顯 微 鏡 （ M F M ） 、 彈 道 電 子 發(fā) 射 顯 微 鏡） 、 彈 道 電 子 發(fā) 射 顯 微 鏡（BEEM）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（）、掃描離子電導(dǎo)顯

55、微鏡（SICM）、）、掃描熱顯微鏡和掃描隧道電位儀（掃描熱顯微鏡和掃描隧道電位儀（STP）等等。）等等。這些新型的顯微鏡，都利用了反饋回路控制探針這些新型的顯微鏡，都利用了反饋回路控制探針在距離樣品表面在距離樣品表面1nm處或遠(yuǎn)離樣品表面掃描（或處或遠(yuǎn)離樣品表面掃描（或樣品相對于探針掃描）的工作方式，用來獲得掃樣品相對于探針掃描）的工作方式，用來獲得掃描隧道顯微鏡不能獲得的有關(guān)表面的各種信息，描隧道顯微鏡不能獲得的有關(guān)表面的各種信息，對對STM的功能有所補(bǔ)充和擴(kuò)展。的功能有所補(bǔ)充和擴(kuò)展。1. 原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM） 掃描隧道顯微鏡工作時要檢測針尖和掃描隧道顯微鏡工作時要檢測針尖和

56、樣品之間隧道電流的變化，因此它只能直樣品之間隧道電流的變化，因此它只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。而在研接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面結(jié)構(gòu)。而在研究非導(dǎo)電材料時必須在其表面覆蓋一層導(dǎo)究非導(dǎo)電材料時必須在其表面覆蓋一層導(dǎo)電膜。導(dǎo)電膜的存在往往掩蓋了樣品的表電膜。導(dǎo)電膜的存在往往掩蓋了樣品的表面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡面結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。為了彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡的這一不足，的這一不足，1986年年Binnig、Quate和和G e r b e r 發(fā) 明 了 第 一 臺 原 子 力 顯 微 鏡發(fā) 明 了 第 一 臺 原 子 力 顯 微 鏡（AFM）。）。 原子力顯微鏡是將一個對微弱力及敏感的微懸原

57、子力顯微鏡是將一個對微弱力及敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表品的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在及微弱的排斥力（面原子間存在及微弱的排斥力（10-810-6 N），），通過掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸通過掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位臂將對應(yīng)于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學(xué)檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對學(xué)檢測法和隧道電

58、流檢測法，可以測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。右圖為利用原子力顯微鏡得到表面形貌的信息。右圖為利用原子力顯微鏡得到的紅血細(xì)胞形貌圖。的紅血細(xì)胞形貌圖。2.激光力顯微鏡（激光力顯微鏡（LFM） 激光力顯微鏡的探針是一根長半毫米的鎢絲或硅探激光力顯微鏡的探針是一根長半毫米的鎢絲或硅探針，其尖端至少在針，其尖端至少在50nm以下，在探針的底端裝有一個壓以下，在探針的底端裝有一個壓電能量轉(zhuǎn)換器，將交流電轉(zhuǎn)化為探針的振動，當(dāng)探針的電能量轉(zhuǎn)換器，將交流電轉(zhuǎn)化為探針的振動，當(dāng)探針的振動頻率接近其共振頻率時，由于探針的共振，對驅(qū)動

59、振動頻率接近其共振頻率時，由于探針的共振，對驅(qū)動信號起放大作用。把這種受迫振動的探針調(diào)節(jié)到試樣表信號起放大作用。把這種受迫振動的探針調(diào)節(jié)到試樣表面時（面時（220nm），探針與試樣表面之間會產(chǎn)生微弱的吸），探針與試樣表面之間會產(chǎn)生微弱的吸引力，使探針的共振頻率降低，驅(qū)動頻率和共振頻率的引力，使探針的共振頻率降低，驅(qū)動頻率和共振頻率的差距增大，探針的尖端振幅減小。將這種振幅的變化用差距增大，探針的尖端振幅減小。將這種振幅的變化用光學(xué)測量法探測出來，據(jù)此可推出樣品表面的起伏變化。光學(xué)測量法探測出來，據(jù)此可推出樣品表面的起伏變化。左圖為硅表面各向異性刻蝕出的左圖為硅表面各向異性刻蝕出的1m寬寬V型槽

60、的型槽的LFM象，象，放大部位面積為放大部位面積為1mX1m。3.磁力顯微鏡（磁力顯微鏡（MFM） 磁力顯微鏡（磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscopy,MFM）也是使用一種受迫振動的探針來掃描樣品表面，也是使用一種受迫振動的探針來掃描樣品表面，所不同的是這種探針是沿著其長度方向磁化了的所不同的是這種探針是沿著其長度方向磁化了的鎳探針或鐵探針。當(dāng)這一振動探針接近一塊磁性鎳探針或鐵探針。當(dāng)這一振動探針接近一塊磁性樣品時，探針尖端就會像一個條狀磁鐵的北極和樣品時，探針尖端就會像一個條狀磁鐵的北極和南極那樣，與樣品中磁疇相互作用而感受到磁力，南極那樣，與樣品中磁疇相互作用而感受