掃描隧道顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告姓名 小編 班級 01*101 學(xué)號 011*01* 組別 實(shí)驗(yàn)日期 2011-11-23 課程名稱 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 同實(shí)驗(yàn)者 指導(dǎo)教師 成績 掃描隧道顯微鏡（STM）一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握和了解量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)的基本原理。2學(xué)習(xí)和了解掃描隧道顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)和基本實(shí)驗(yàn)方法原理。 3基本了解掃描隧道顯微鏡的樣品制作過程、設(shè)備的操作和調(diào)試過程，并 最后觀察樣品的表面形貌。 4正確使用AJ1掃描隧道顯微鏡的控制軟件，并對獲得的表面圖像進(jìn)行處 理和數(shù)據(jù)分析。二實(shí)驗(yàn)儀器 AJ1型掃描隧道顯微鏡；P-IV型計(jì)算機(jī)；樣品（高序石墨）； 金屬探針及工具。三實(shí)驗(yàn)原理1隧道電流  

2、      掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，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（如圖3）。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)，它是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，這種效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計(jì)算，透射系數(shù)             

3、;                          （1）由式中可見，透射系數(shù)T與勢壘寬度a、能量差（V0-E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(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時（通常小于1 nm），在外

4、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極。隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)與樣品的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)有關(guān)                                     &

5、#160;                 （2）式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，1和2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑銥絲等，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。        由（2）式可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小

6、0.1nm，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，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。2STM的結(jié)構(gòu)和工作模式        STM儀器由具有減振系統(tǒng)的STM頭部、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成（圖4）。頭部的主要部件是用壓電陶瓷做成的微位移掃描器，在x-y方向掃描電壓的作用下，掃描器驅(qū)動探針在導(dǎo)電樣品表面附近作x-y方向的掃描運(yùn)動。與此同時，一臺差動放大器檢測探針與樣品間的隧道電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓反饋到掃描器，作為

7、探針z方向的部分驅(qū)動電壓，以控制探針作掃描運(yùn)動時離樣品表面的高度。STM常用的工作模式主要有以下兩種：a.恒流模式，如圖3（a），利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面x-y方向掃描，而z方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時，針尖就會向后退，以保持隧道電流的值不變，當(dāng)樣品表面凹進(jìn)時，反饋系統(tǒng)將使得針尖向前移動，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時運(yùn)動的軌跡記錄并顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。這種工作模式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z方向的驅(qū)動電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒流模式是一種常用的工作模式

8、，在這種工作模式中，要注意正確選擇反饋回路的時間常數(shù)和掃描頻率。圖3  掃描隧道顯微鏡的兩種工作模式b.恒高模式，如圖3（b），針尖的x-y方向仍起著掃描的作用，而z方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的局域高度會隨時發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。橫高模式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，實(shí)現(xiàn)表面形貌的實(shí)時顯示，但這種模式要求樣品表面相當(dāng)平坦，樣品表面的起伏一般不大于1nm，否則探針容易與樣品相撞。3. STM針尖的制備     

9、60;  隧道針尖的制備是STM技術(shù)中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)。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，從而減小相位滯后，提高采集速度。如果針尖的最尖端只有一個穩(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，而且能夠獲得原子級分辨率的圖象。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，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致在針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。        現(xiàn)在常用鉑銥合

10、金作為隧道針尖材料。鉑材料雖軟，但不易被氧化，在鉑中加入少量銥（例如鉑銥的比例為80:20）形成的鉑銥合金絲，除保留了不易被氧化的特性外，其剛性也得到了增強(qiáng).為了得到銳利的針尖，通常對鉑銥合金絲用機(jī)械剪切方法成型。4. STM的減震        由于STM工作時的針尖與樣品間距一般小于1nm，同時由式(2)可見，隧道電流與隧道間距成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的振動，例如由說話的聲音和人的走動所引起的振動，都會對儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。許多樣品，特別是金屬樣品，在STM的恒流工作模式中，觀察到的表面起伏通常為0.01nm。因此，S

11、TM儀器應(yīng)具有良好的減震效果，一般由振動所引起的隧道間距變化必須小于0.001nm。建筑物一般在10到100Hz頻率之間擺動，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室附近的機(jī)器工作時，可能激發(fā)這些振動。通風(fēng)管道、變壓器和馬達(dá)所引起的振動在6到65Hz之間，房屋骨架、墻壁和地板一般在15到25Hz易產(chǎn)生與剪切和彎曲有關(guān)的振動。實(shí)驗(yàn)室工作人員所產(chǎn)生的振動（如在地板上的行走）頻率在1到3Hz范圍。因此，STM減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮1到100Hz之間的振動。隔絕振動的方法主要靠提高儀器的固有振動頻率和使用振動阻尼系統(tǒng)。目前實(shí)驗(yàn)室常用的減震系統(tǒng)采用合成橡膠緩沖墊、彈簧（或橡膠帶）懸掛以及磁性渦流阻尼等三種綜合減震措施來達(dá)到減震的目

12、的。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分之幾甚至是百分之幾。除此之外，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，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。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的減震要求。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措施。測量時，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內(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)行屏蔽，提高探測的準(zhǔn)確性?！緦?shí)驗(yàn)裝置與控制處理軟件】NanoVi

13、ew-I型掃描隧道顯微鏡是面向教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)的新型實(shí)驗(yàn)裝置。1 頭部系統(tǒng)        掃描系統(tǒng)采用壓電陶瓷管作為掃描器，樣品固定在掃描器上，樣品相對于探針作掃描運(yùn)動。支撐系統(tǒng)包括基座、三根鋼柱、懸吊支架和三只掛腳構(gòu)成的托架系統(tǒng)。驅(qū)進(jìn)系統(tǒng)由雙手動螺旋測微頭和一只精密步進(jìn)馬達(dá)頂桿（可手調(diào)也可計(jì)算機(jī)控制）組成，三點(diǎn)支撐針塊并控制樣品與針尖距離。防振系統(tǒng)采用三根彈簧吊住底盤，靠彈簧衰減由基座傳入的震動。        驅(qū)進(jìn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要用于粗調(diào)和精細(xì)

14、調(diào)節(jié)針尖和樣品之間的距離。利用兩個螺旋測微頭手動粗調(diào)，配合步進(jìn)馬達(dá)（可以手調(diào)也可計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)），先調(diào)節(jié)針尖和樣品距離至一較小間距（毫米級），然后驅(qū)動步進(jìn)馬達(dá)，使間距從毫米級緩慢降至納米級（在有反饋的情形下），進(jìn)入掃描狀態(tài)。退出時先驅(qū)動步進(jìn)馬達(dá)，使間距緩慢增大，退出掃描間距后，可加快退出速度。STM系統(tǒng)的振動隔離措施采用平板堆垛系統(tǒng)加上懸吊來隔離振動。平板堆垛系統(tǒng)由大理石塊（或金屬平板）和橡膠圈構(gòu)成。用于較大范圍的掃描時，這種措施已經(jīng)能夠有效地隔離振動。在進(jìn)行精細(xì)的掃描（比如獲得原子圖象）時，需要采用彈簧進(jìn)行懸吊。2 電子學(xué)控制系統(tǒng)    &#

15、160;   STM電子學(xué)控制系統(tǒng)的核心是一個無靜態(tài)差動反饋回路，控制隧道結(jié)間距變化。在恒流工作模式中其基本過程是首先測出隧道電流并轉(zhuǎn)換成電壓，然后與參考電流比較，經(jīng)過差動放大后再輸入積分器，由積分器輸出控制掃描管Z方向的伸縮，使得隧道電流恒定在預(yù)設(shè)的工作點(diǎn)上。由于反饋系統(tǒng)是一種高增益電路，隧道電流又在納安的數(shù)量級，很容易受到外界的干擾，因此對系統(tǒng)要進(jìn)行很好的屏蔽。3軟件系統(tǒng)        512，系統(tǒng)包括實(shí)時采集控制、離線分析處理、文件處理、調(diào)色板四大模塊。在主控命令條中使用相應(yīng)的按鍵就可以啟動相應(yīng)的模

16、塊，各模塊之間可以任意切換。´STM軟件系統(tǒng)采用Windows95/98為操作界面，具有使用方便的菜單和工具箱，圖象的存儲可以采用多種格式，最大分辨率可達(dá)512        實(shí)時采集控制提供馬達(dá)開/關(guān)、單步進(jìn)/單步退、自動驅(qū)進(jìn)/自動脫離等馬達(dá)控制功能，提供任意角度掃描、定標(biāo)、局域等功能。        離線分析處理提供圖像瀏覽、縮放、線三維、表面三維等多種顯示功能，提供斜面校正、平滑、卷積濾波、FFT、邊緣增強(qiáng)、反轉(zhuǎn)、兩維行平均等圖像處理手段，

17、可對圖像進(jìn)行粗糙度、模糊度、剖面線分析及距離和高度定標(biāo)。        調(diào)色板系統(tǒng)包含16種調(diào)色板設(shè)定，任一種調(diào)色板均可由用戶在R、G、B三分量上無級編輯，每一種調(diào)色板均包含灰度與彩色，信息可任意切換。        文件處理提供實(shí)時的屏幕硬拷貝功能，可保存當(dāng)前任意區(qū)域的屏幕內(nèi)容，提供標(biāo)準(zhǔn)圖像格式輸出，輸出圖像可為其它任何通用圖像處理軟件所識別與處理，以便用戶編輯、排版、打印。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 準(zhǔn)備和安裝樣品、針尖   

18、0;    將一段長約3厘米的鉑銥合金絲放在丙酮中洗凈，取出后用經(jīng)丙酮洗凈的剪刀剪尖，再放入丙酮中洗幾下（在此后的實(shí)驗(yàn)中千萬不要碰到針尖?。?。將探針后部略彎曲，插入掃描隧道顯微鏡頭部的金屬管中固定，針尖露出頭部約5毫米。將樣品放在樣品座上，應(yīng)保證良好的電接觸。將下部的兩個螺旋測微頭向上旋起，然后把頭部輕輕放在支架上（要確保針尖和樣品間有一定的距離），頭部的兩邊用彈簧扣住。小心地細(xì)調(diào)螺旋測微頭和手動控制電機(jī)，使針尖向樣品逼近，用放大鏡觀察，在針尖和樣品相距約0.51毫米處停住。 2. 金團(tuán)簇樣品圖象掃描啟動計(jì)算機(jī)，打開控制器電源開關(guān)。單擊桌面的“AJ-1”

19、圖標(biāo)，執(zhí)行操作軟件。此時屏上出現(xiàn)在線軟件的主接口，再單擊菜單中“顯微鏡校正初始化”，屏上跳出一個選擇框，選定“通道零”，然后多次點(diǎn)擊“應(yīng)用”，左邊的通道零參數(shù)不斷變化，選定一個其中變化參數(shù)絕對值最小的值，最后單擊“確定”。    單擊菜單“視圖高度圖像”，屏上會出現(xiàn)高度圖像(H)、Z高度顯示(T)、馬迖高級控制(A)共三個操作框。然后再將“圖像模式”修改成“曲線模式”，同時出現(xiàn)“高度曲線”框。此時的屏顯示如圖10所示。         選擇“馬達(dá)控制”，“隧道電流”置為0.30.4nA

20、，“針尖偏壓”置為250mv，“積分”置為5.0，點(diǎn)擊“自動進(jìn)”。至馬達(dá)自動停止。 “掃描范圍”約為1微米，然后單擊“掃描”。點(diǎn)擊“調(diào)色板適應(yīng)”以便得到合適的圖象對比度。調(diào)整掃描角度和掃描速度，同時也可微調(diào)面板上的“積分”旋鈕（反饋速度）。手動進(jìn)針。首先仔細(xì)觀察樣品表面位置并找到鏡像小紅燈，此時可在樣品表面上看到在鏡像紅燈背景下的鏡像針尖。自動進(jìn)針。在計(jì)算機(jī)控制主接口上，單擊“馬達(dá)高級控制”菜單，再在馬達(dá)高級控制面板(A)中單擊“連續(xù)進(jìn)”，并密切注意觀察屏上顯示進(jìn)針情況，待“己進(jìn)入隧道區(qū)馬達(dá)停止連續(xù)進(jìn)”的提示框出現(xiàn)后，再點(diǎn)擊“確定”，此時紅線應(yīng)在-50100V之間。然后進(jìn)行單步操作，即單擊馬達(dá)

21、高級控制面板(A)中的“單步進(jìn)”，使紅線最后調(diào)節(jié)于中間位置時停止操作，進(jìn)針結(jié)束。最后關(guān)閉“馬達(dá)高級控制面板(A)”圖框。 光柵樣品的掃描。A、“掃描控制面板”框中：設(shè)置“掃描范囲”為最大；“X偏置”和“Y偏置”為O；設(shè)置“旋轉(zhuǎn)角度”為O；“掃描速率”為1Hz左右。B、在“反饋控制面板”框中：設(shè)置“比例增益”為5.0000；“積分增益”為18.0000；設(shè)置“設(shè)置點(diǎn)”(即隧道電流)為0.500nA；“偏壓”為50mV左右；而“反饋循環(huán)”為“使能”狀態(tài)。C在“高度控制面板”框中：設(shè)置“顯示模式”為圖像模式；“實(shí)時校正模式”為線平均校正；“顯示范囲”置于150nm；并設(shè)置“顯示中心點(diǎn)”為0.00V。  掃描結(jié)束后一定要將針尖退回！“馬達(dá)控制”用“自動退”，然后關(guān)掉馬達(dá)和控制箱。五圖象處理 （1）平滑處理：將像素與周邊像素作加權(quán)平均。 （2）斜面校正：選擇斜面的一個頂點(diǎn)，以該頂點(diǎn)為基點(diǎn)，線形增加該圖象的所有像數(shù)值，可多次操作。 （3）傅立葉變換：對當(dāng)前圖象作FFT濾波，此變換對圖象的周期性很敏感，在作原子圖象掃描時很有用。 （4）邊緣增強(qiáng)：對當(dāng)前圖象作邊緣增強(qiáng)，使圖象具有立體浮雕感。 （5） 橫切面分