STMSTS透射電子顯微術(shù)ppt課件

1、外表與低維納米構(gòu)造的外表與低維納米構(gòu)造的STS譜譜王 兵中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2022年年5月月3日日是指掃描隧道顯微術(shù)相關(guān)的譜學(xué)技術(shù)STM實驗中有實驗中有(x,y,z,V,I)五個變量。五個變量。 通常掃描圖象時常堅持通常掃描圖象時常堅持V恒定。恒定。 丈量丈量I(V)譜掃描隧道譜譜掃描隧道譜STS)時，時，V是變化的。是變化的。STM的任務(wù)方式的任務(wù)方式 恒流方式恒流方式 (V,I)=const. (x,y)/z,丈量電子態(tài)的空間分布丈量電子態(tài)的空間分布 等高方式等高方式 (V,Z)=const. (x,y)/I,丈量態(tài)的分布與奉獻(xiàn)丈量態(tài)的分布與奉獻(xiàn) 恒阻方式恒阻方式 可變間距方式可變間距方式

2、恒定平均電流方式恒定平均電流方式掃描隧道譜掃描隧道譜 STS隧道電流隧道電流I-V譜譜I-t 譜譜I-z 譜譜微分電導(dǎo)微分電導(dǎo)dI/dV-V譜譜二次微分二次微分d2I/dV2-V譜譜dI/dV 成像成像d2I/dV2成像成像STS譜包括譜包括掃描隧道鏡掃描隧道鏡 STM：Scanning Tunneling Microscopy反反響響回回路路掃描隧道鏡掃描隧道鏡 STM：Scanning Tunneling Microscopy針尖電極樣品電極其中其中 掃描隧道譜學(xué)掃描隧道譜學(xué) Scanning Tunneling Spectroscopy (STS)掃描隧道顯微術(shù)掃描隧道顯微術(shù) STM關(guān)鍵

3、之處：電流或與電流相關(guān)信息的獲取關(guān)鍵之處：電流或與電流相關(guān)信息的獲取形貌信息獲取形貌信息獲取更多信息更多信息電流或與電流相關(guān)信息的獲取電流或與電流相關(guān)信息的獲取 I-V 譜譜 針尖電極針尖電極樣品電極樣品電極V=0, 無凈電流探針與樣品間的隧道電流丈量探針與樣品間的隧道電流丈量無偏壓條件無偏壓條件 針尖電極針尖電極樣品電極樣品電極V=0, 無凈電流V0, 電流由針尖流向樣品探針與樣品間的隧道電流探針與樣品間的隧道電流針尖正偏壓條件針尖正偏壓條件 V0 針尖電極針尖電極樣品電極樣品電極V=0, 無凈電流V0, 電流由針尖流向樣品V0, 電流由樣品流向針尖探針與樣品間的隧道電流丈量探針與樣品間的隧

4、道電流丈量針尖負(fù)偏壓條件針尖負(fù)偏壓條件 V Ec納米結(jié)量子電容效應(yīng)納米結(jié)量子電容效應(yīng)納米結(jié)的電容丈量：量子電容效應(yīng)納米結(jié)的電容丈量：量子電容效應(yīng)納米結(jié)電容納米結(jié)電容10 19 F, 如何準(zhǔn)確丈量？如何準(zhǔn)確丈量？Transport via a single dot or a single molecules原理：雙納米隧道結(jié)中的單原理：雙納米隧道結(jié)中的單電子隧穿充電能電子隧穿充電能E e2/C-1.0-0.50.00.51.0-800-4000400800Current(pA)Bias Voltage (V)I-V譜臺階寬度準(zhǔn)確譜臺階寬度準(zhǔn)確丈量丈量CNonclassical Behavior

5、in the Capacitance of a Nanojunction-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.8-1.2-0.60.00.61.21.82.4Set point: -1.8 V0.5 nA1 nA2 nA3 nA4 nA5 nA6 nA7 nA8 nA10 nA IR (V)Bias Voltage (V)A series of I-V curves taken at 5 K for a 4 nm Au cluster at different set point tunneling current. 改動針尖與樣改動針尖與樣品間的間隔品間的間隔 納米結(jié)電容納米

6、結(jié)電容 C d關(guān)系關(guān)系d-202468101214C01234C 1 /d量子電容器：量子電容器：d nm, A nm2d nm, A nm20.00.51.01.52.02.53.00.00.10.20.30.40.50.60.70.8 Experimental Classical capacitance C2Separation ( )DOSclC1C1RC量子電容量子電容證明了納米結(jié)的量子電容效應(yīng)證明了納米結(jié)的量子電容效應(yīng) Phys. Rev.Lett. 2019 Appl.Phys.Lett. 2000 Phys. Rev. B. 2019 納米結(jié)納米結(jié) 量子電容效應(yīng)量子電容效應(yīng)M.A

7、. Reed, Science 278,252 (2019)B. Xu et al., Science 301, 1221 (2019)X. D. Cui et al., Science 294, 571 (2019)單分子導(dǎo)線的電導(dǎo)丈量單分子導(dǎo)線的電導(dǎo)丈量Dehydrogenated CoPc on Au(111)Science, 309, 1542 (2019)單分子的近藤效應(yīng)Aviram and Ratner 提出的模型： D-AD-D-A D+-A D+- -A-A-單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)長期存在爭議長期存在爭議R. M. Metzger, Chem. Rec. 4， 291 (

8、2019), Review單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)ARAR型單分子整流器型單分子整流器 D- D-A-A單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)質(zhì)子化處置前質(zhì)子化處置前(黑黑)和和去質(zhì)子化處置后去質(zhì)子化處置后(紅紅)質(zhì)子化處置后質(zhì)子化處置后G. M. Morales et al., J. Am. Chem. Soc. 127， 10456 2019單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)ARAR型單分子整流器型單分子整流器 D- D-A-AElectron transport processEnergy level configurationElectron transport at

9、positive and negative biasPositive currentNegative current6Relatively small LUMO-HOMO gap is importantB. Wang et al. J. Phys. Chem. B, 2019單分子整流效應(yīng)單分子整流效應(yīng)基于單個基于單個C59N分子的整流效應(yīng)分子的整流效應(yīng)J. Zhao et al. Phys. Rev. Lett., 2019負(fù)微分電阻效應(yīng)負(fù)微分電阻效應(yīng)共振隧穿共振隧穿負(fù)微分電阻效應(yīng)負(fù)微分電阻效應(yīng) NDRI(V)eVEWsEVEdESTVEfEf )( 22)()( 負(fù)微分電阻效應(yīng)負(fù)微分電阻

10、效應(yīng) NDR負(fù)微分電阻效應(yīng)負(fù)微分電阻效應(yīng) NDR量子點精細(xì)電子態(tài)量子點精細(xì)電子態(tài)U. Banin et al., Nature 400, 542 (2019)掃描隧道譜掃描隧道譜(STS)-量子點類原子能級量子點類原子能級 掃描隧道譜掃描隧道譜(STS)-量子點類原子軌道成像量子點類原子軌道成像 量子點精細(xì)電子態(tài)量子點精細(xì)電子態(tài)-1.0-0.50.00.51.0-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6 B C D E dI/dV (arb. unit)Tunneling Current (nA)Bias Voltage (V) -1011.6 nm1.6 nm2.2 nm3 nm

11、2.5 nm4 nmdI/dV (arb. unit)Bias voltage (V)2 nm金屬量子點中尺寸依賴的精細(xì)能級構(gòu)造金屬量子點中尺寸依賴的精細(xì)能級構(gòu)造B. Wang et al., Phys. Rev. B 2019量子點中的新效應(yīng)量子點中的新效應(yīng)J.G. Hou, Phys. Rev. Lett. 2019非晶化對金屬量子點中限域效應(yīng)的抑制造用非晶化對金屬量子點中限域效應(yīng)的抑制造用電子態(tài)密度電子態(tài)密度直接成像，直接成像，結(jié)合空間分結(jié)合空間分辨率，同時辨率，同時實現(xiàn)能量與實現(xiàn)能量與空間分辨空間分辨提示提示DyC82富勒烯團(tuán)簇的電子構(gòu)造富勒烯團(tuán)簇的電子構(gòu)造經(jīng)過經(jīng)過dI/dV顯微術(shù)在能

12、量空間分顯微術(shù)在能量空間分辨條件下，實現(xiàn)對辨條件下，實現(xiàn)對DyC82分子進(jìn)分子進(jìn)展展“透視透視察看，并勝利確定碳察看，并勝利確定碳籠內(nèi)金屬原子的位置。籠內(nèi)金屬原子的位置。DyC82Phys. Rev. Lett. 2019 富勒烯分子富勒烯分子dI/dVdI/dV成像成像振動譜探測單分子構(gòu)造振動譜探測單分子構(gòu)造H.J. Lee and W. Ho, Phys. Rev. B 61, R16347 (2000). (a)為C2H2和C2D2的恒流像，(b)，(c)，(d)分別為同一區(qū)域在358mV，266mV，311mV下的d2I/dV2圖像，左邊的分子為C2H2，右邊的分子為C2D2。C2H2

13、, C2H2 on Cu(100)Background difference d2I/dV2 spectra for C2H2 (1) and C2D2 (2), taken with the same STM tip, show peaks at 358 mV and 266 mV, respectively.B. C. Stipe, M. A. Rezaei, and W. Ho, Science, 280,1732 (2019) 部分烴類分子的二次微分譜比較，這些分子具有14個振動方式，其中C-H鍵的伸張振動方式占主導(dǎo)位置 W. Ho, J. Chem. Phys., 117, 1103

14、3 (2019) Science, 309, 1542 (2019)I-t 譜在選鍵化學(xué)中的運用可控的CoPc分子脫氫反響L.J. Lauhon and W. Ho, Phys. Rev. Lett. 84, 1527(2000) 多步單分子反響的鑒別與支配多步單分子反響的鑒別與支配 Oxidation of a Single Carbon Monoxide MoleculeCarbon Monoxide MoleculeHahn et.al., Phys.Rev.Lett., 87, 66102(2019)多步單分子反響的鑒別與支配多步單分子反響的鑒別與支配 K.D.Wang et al.

15、Phys. Rev. Lett. 94, 036103(2019) I-t 譜在外表物理中的運用Cu原子在Si(111)-(77)外表的分散a，208K溫度下，分別在Si(111)-(77)外表的邊位置Center和角位置Corner采集的I-t譜，其中高電流脈沖闡明Cu原子運動到針尖下方。b，駐留事件數(shù)目隨時間衰減統(tǒng)計直方圖 L. Limot et al. Phys. Rev. Lett. 94, 126102(2019) I-z譜運用Atom Transfer and Single-Adatom ContactsI-z譜運用功函數(shù)丈量總結(jié) I-V 譜和微分電導(dǎo)譜反映了電子局域態(tài)密度在不同能

16、量下譜和微分電導(dǎo)譜反映了電子局域態(tài)密度在不同能量下的分布，的分布，dI/dV圖像那么近似反映了某一能量下電子局域圖像那么近似反映了某一能量下電子局域態(tài)密度在實空間的分布。態(tài)密度在實空間的分布。二次微分譜和二次微分譜和d2I/dV2圖像可以用來研討分子的振動態(tài)。圖像可以用來研討分子的振動態(tài)。 I-t譜可以用來研討外表化學(xué)反響和外表分散運動譜可以用來研討外表化學(xué)反響和外表分散運動 I-z譜可以用來丈量外表功函數(shù)，實現(xiàn)原子接觸等譜可以用來丈量外表功函數(shù)，實現(xiàn)原子接觸等電子自旋、光、磁場等單分子或量子點相關(guān)新效應(yīng)單分子或量子點相關(guān)新效應(yīng)結(jié)合能量、空間、時間的高分辨結(jié)合能量、空間、時間的高分辨原子或元素

17、識別？！原子或元素識別？！謝 謝！ Simmons 實際實際(經(jīng)典近似方法經(jīng)典近似方法) WKB來研討勢壘隧穿問題來研討勢壘隧穿問題(曾曾 卷卷 P105) 令解的方式為令解的方式為 0 = Jacobi-Hamilton式式 EVm 222)/)(exp()(zisz VEdzsdmidzdsm 22221)(21VEdzdsm 2)(21 22210)(szszszs)(22exp()( badzVEmED 00301)()(4)()( dEEfEDdEmdVEDVnNmmEzzVzzz 0032)(*)(4 dEeVEfEDdEmNmEzz21NNN )exp()()exp(2seVAeVsAscI j jj jj jj jV偏壓，偏壓， 平均功函數(shù)，平均功函數(shù)，s間距，間距，A、C常數(shù)常數(shù) j)exp(21,seVAIeV j jj j這正是這正是STMSTM的任務(wù)原理！的任務(wù)原理！ Bardeen 公式公式 1960年年Bardeen利用多體實際開展了時間相關(guān)微擾實際，可利用多體實際開展了時間相關(guān)微擾實際，可以計算電子從一個電極樣品以計算電子從一個電極樣品Es,s轉(zhuǎn)移到另外一個電極針尖轉(zhuǎn)移到另外一個電極針尖Et,t的速率，由電子轉(zhuǎn)移速率由費米黃金定那么來確定參見的速率，由電子轉(zhuǎn)移速率由費米黃金定那么來確定參見 第三版曾謹(jǐn)言第三版曾謹(jǐn)言 卷卷P