近代物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-掃描隧道顯微鏡

1/7掃描隧道顯微鏡（STM）的原理及應(yīng)用【摘要】本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)掃描隧道顯微鏡的工作原理，掌握用電化學(xué)腐蝕鎢絲的方法制備掃描隧道顯微鏡的針尖，并用所制作的鎢探針掃描石墨樣品，獲取石墨樣品的原子分辨像。再結(jié)合石墨的六角晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，對(duì)石墨表面圖像進(jìn)行處理分析，計(jì)算x、y方向壓電陶瓷的電壓靈敏度為15.74?/V，并分析了掃描圖像效果的差影響因素。【關(guān)鍵詞】掃描隧道顯微鏡、隧道效應(yīng)、探針、粗逼近一、引言：掃描隧道顯微鏡（scanningtunnelingmicroscopy，簡(jiǎn)稱STM）是國(guó)際公認(rèn)的20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一，它由IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事于1982年研制成功，兩位發(fā)明者因此于1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM技術(shù)的誕生使在納米尺度范圍探測(cè)材料的表面特性成為可能，這是因?yàn)镾TM能夠一個(gè)原子一個(gè)原子地將表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)時(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)及與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。STM技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可獲得原子級(jí)的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可達(dá)0.1納米，在垂直于表面的方向可達(dá)0.01納米，此外STM還可實(shí)時(shí)地獲得材料表面實(shí)空間的三維圖像；可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是整個(gè)表面的平均性質(zhì)；配合掃描隧道譜STS可以得到有關(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、表面電子勢(shì)阱等。但STM也有明顯的缺點(diǎn)：由于原子波函數(shù)的疊加，STM在恒電流的工作模式下對(duì)樣品表面的某些溝槽不能準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差；另外，STM所觀察的樣品必須有一定的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀察效果就差于導(dǎo)體，而對(duì)于絕緣體則根本無(wú)法觀察。不過(guò)，在STM之后衍生的原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等一系列新型非接觸表面探針技術(shù)在很大程度上彌補(bǔ)了STM的不足，使探針顯微鏡技術(shù)日趨完善，并在納米科技領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在本實(shí)驗(yàn)中，將主要學(xué)習(xí)STM技術(shù)的工作原理，了解STM的基本儀器結(jié)構(gòu)，掌握STM探針的制作方法，并了解STM數(shù)據(jù)采集及分析。二、實(shí)驗(yàn)原理：1、量子隧道效應(yīng)在經(jīng)典理論中，動(dòng)能只能去非負(fù)值，因此一個(gè)粒子的勢(shì)能要大于它的總能量是不可能的。但在量子理論中，如果勢(shì)能不是無(wú)限大，且在的區(qū)域，則薛定諤方程（1）的解不一定為零，即一個(gè)入射粒子穿透一個(gè)的有限區(qū)域的幾率是非零的，這稱隧道效應(yīng)。利用圖1可以簡(jiǎn)單說(shuō)明隧道效應(yīng)的物理意義。圖1（a）高度為φo的矩陣勢(shì)壘（b）典型的矩形勢(shì)壘的遂穿幾率P設(shè)圖1（a）中φo為矩形勢(shì)壘的高度，E為粒子動(dòng)能，如圖1(b)所示，則勢(shì)壘穿透厚度為z的勢(shì)壘去的幾率P（2）其中2、探針針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問(wèn)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鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測(cè)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，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有1或1~2個(gè)原子的突出，原則上就能獲得原子級(jí)分辨，因?yàn)樗泶茁孰S著間距是迅速衰減的，所以針尖的銳度、形狀和化學(xué)純度直接影響著STM圖像的質(zhì)量和分辨率。針尖的化學(xué)純度高，就不會(huì)涉及系列勢(shì)壘。本實(shí)驗(yàn)所用的鎢絲針尖是通過(guò)電化學(xué)腐蝕制得的。3、STM技術(shù)掃描隧道顯微鏡技術(shù)是建立在量子隧道效應(yīng)基礎(chǔ)上的，它利用尖銳的金屬針尖和導(dǎo)電樣品之間的隧道電流來(lái)描述樣品表面的局域信息。導(dǎo)致STM技術(shù)發(fā)明的主要原因是作為局域探測(cè)技術(shù)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)難題獲得解決：①維持只有幾埃量級(jí)寬的縫隙穩(wěn)定性技術(shù)、②使探針在表面以亞埃德精度定位和掃描的壓電傳感技術(shù)、③使樣品從原理針尖到逼近針尖至5埃以內(nèi)而不損壞針尖和樣品表面的技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)是STM獲得理想分辨率的保證。STM技術(shù)的核心就是一個(gè)能在表面上掃描并與樣品間有一定偏壓的針尖。具體地說(shuō)，是將極細(xì)的探針和被研究的物體表面看做兩個(gè)電極，當(dāng)樣品和探針的距離非常接近時(shí)（通常小于1納米），它們之間的勢(shì)壘變得很薄，在外加電場(chǎng)的作用下，電子就會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極間的勢(shì)壘從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極，通過(guò)記錄遂道電流的變化就能得到有感樣品表面形貌的信息。隧道電流I與針尖—樣品之間的距離S和平均功函數(shù)之間的關(guān)系為：（3）其中為針尖與樣品之間的偏置電壓,平均功函數(shù)，和分別為針尖和樣品的功函數(shù)，為常數(shù),真空時(shí)約為1。掃描探針一般為直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。隧道電流的大小對(duì)針尖與樣品表面之間的距離非常敏感，粗略地講，如果距離s小于0.1nm，隧道電流I將增加一個(gè)量級(jí)。通常在STM中，針尖是被固定在一個(gè)壓電陶瓷制成的掃尾掃描架上，通過(guò)改變陶瓷上的電壓，使得陶瓷的長(zhǎng)度發(fā)生微笑的變化，從而使樣品于針尖的距離（z方向）以及針尖在樣品表面的位置（x、y方向）發(fā)生細(xì)微的改變。在進(jìn)行針尖掃面時(shí)，根據(jù)隧道電流與z方向陶瓷電壓之間的反饋方式的不同，STM針尖的工作方式分為橫高和恒電流兩種模式。恒電流模式是利用電子反饋電路保持隧道電流恒定，并將隧道電流反饋到z陶瓷上，控制z陶瓷上的電壓從而調(diào)節(jié)針尖到樣品表面的距離進(jìn)行掃描，探針在垂直于樣品表面方向上的高低變化就能放映出樣品表面的起伏，如圖2（a）。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)就得到了樣品表面態(tài)密度分布或原子排列的圖像。這種恒電流掃描方式可用于觀察表面起伏較大的樣品，且可通過(guò)測(cè)量z方向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面高度起伏的數(shù)值。圖2STM的掃描工作模（a）恒定電流模式（b）橫高模式對(duì)于表面起伏不大的樣品，可以保持針尖高度恒定掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化也可得到樣品表面態(tài)密度的分布。如圖2(b)，這種橫高度掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品，否則很容易使針尖碰壞。本實(shí)驗(yàn)采用的掃描模式是恒流模式。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、STM的儀器結(jié)構(gòu)STM主要由減震系統(tǒng)，組逼近，掃描架和電子反饋系統(tǒng)組成。（1）減震系統(tǒng)減震系統(tǒng)用于排除振動(dòng)，沖擊和聲波等對(duì)掃描信號(hào)的干擾,本實(shí)驗(yàn)中采用的是多級(jí)減震系統(tǒng)：1）用于隔離低頻信號(hào)的低頻減震彈簧，由四根共振頻率第(約為1Hz)，阻尼系數(shù)小，長(zhǎng)度約為30cm的彈簧懸掛組成。2）用于隔離聲波干擾的玻璃真空罩。3）在STM的底盤(pán)上有加氟橡膠條，使系統(tǒng)的減震能力進(jìn)一步加強(qiáng)。（2）粗逼近粗逼近是STM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，目的是把針尖移動(dòng)到距樣品能產(chǎn)生隧道電流的范圍,并且能穩(wěn)定地停留在此位置，以減少振動(dòng)的影響。因此要求精確定位，有較大的移動(dòng)范圍和腳牢固的結(jié)構(gòu)。本儀器使用的是螺桿變速系統(tǒng)，有計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)完成，范圍為0.5cm，頻幅為25nm/步。（3）掃描架由一對(duì)壓電陶瓷桿(x、y方向)和z方向的陶瓷管支撐的牢固結(jié)構(gòu)組成。X、y方向的壓電陶瓷桿材料，壓電系數(shù)及長(zhǎng)度都一樣，z方向的壓電陶瓷管有較大的壓電系數(shù)大和較大的固有頻率，使其具有較大的控制范圍。（4）STM的控制單元由一臺(tái)PC機(jī)和電子學(xué)單元組成，它們之間通過(guò)一塊8255接口卡連接，電子單元又分為工作電源和隧道電流反饋控制與采集兩部分。前一部分提供X，Y掃描電壓和Z高壓，后一部分則包括樣品偏壓，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，隧道電流的控制與采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換等。出于安全考慮，STM反饋回路由純電子學(xué)器件組成而不讓計(jì)算機(jī)介入。2、用化學(xué)方法制備STM針尖如果針尖上只有一個(gè)或兩個(gè)原子的突出，原則上就能獲得原子級(jí)的分辨率，因?yàn)樗泶茁孰S后度迅速衰減，所以針尖的銳度、形狀和化學(xué)純度直接影響著STM的掃描效果和分辨率。本實(shí)驗(yàn)用直徑為0.5mm的鎢絲通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法制備STM針尖，如圖3所示。U型管中裝有NaOH水溶液，U型管一端插入要溶解的鎢絲作為陽(yáng)極，另一端插入陰極，材料也是鎢絲。當(dāng)在陽(yáng)極上加約5~40mA的電流時(shí)，陰極便有氣泡放出。化學(xué)反應(yīng)式為：陽(yáng)極：陰極：圖3、針尖制作示意圖制備過(guò)程中，鎢絲的一端插入到電解液時(shí)，溶液表面由于表面張力使得鎢絲周圍形成一個(gè)彎曲的液面，此處的鎢絲溶解的較快，逐步細(xì)化，最終形成針尖，彎曲液面越短，形成針尖的縱橫比越小，要注意控制彎曲液面的變化，使得針尖具有較小的縱橫比，此時(shí)插入到液面以下的鎢絲長(zhǎng)度約為3mm為宜，本實(shí)驗(yàn)用5mol/L的為電解液，溫度為室溫。3、實(shí)驗(yàn)步驟：（1）用上述介紹的化學(xué)腐蝕的方法制備5根STM的針尖。（2）用舊針尖來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中所需要的針尖高度進(jìn)行粗逼近，直到針尖距樣品表面為0.5-1.0mm之間,在以此為參考，裝上制備好的新針尖，在裝針尖的過(guò)程中要注意關(guān)閉電子控制系統(tǒng)。（3）裝好針尖后，運(yùn)行STM系統(tǒng)控制軟件，設(shè)置隧道電流和偏置電壓分別為1nA和1.1V。進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)針，系統(tǒng)報(bào)警后進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)針，直到復(fù)合掃描要求為止，再對(duì)石墨樣品表面進(jìn)行掃描，采集石墨樣品表面圖像數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并根據(jù)石墨樣品的晶格參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)X和Y方向壓電陶瓷的電壓靈敏度。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理2.46?2.46?圖4石墨的晶格結(jié)構(gòu)圖5石墨的層面結(jié)構(gòu)石墨的晶格結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于石墨碳原子的六角網(wǎng)格第一層與第二層錯(cuò)開(kāi)六角形對(duì)角線的1/2而平行疊合，第一層與第三層位置重復(fù)，屬于ABAB型序列。又由于STM的局限性，只能在所拍得圖片中顯示空間原子較密的部分原子。所以我們看到的原子結(jié)構(gòu)實(shí)際上只保留了AB兩層重疊的相鄰原子。而錯(cuò)開(kāi)的部分原子并未在圖像中顯示。圖6石墨的原子分辨像圖6所示為在x、y方向所加的壓電陶瓷電壓為2V、時(shí)間400ms時(shí)所得的原子分辨像。如圖5所示，在石墨結(jié)構(gòu)同一層中間隔一個(gè)原子的兩個(gè)原子的間距為2.46，在圖上取石墨晶體的某一晶向AB，直線AB在x軸和y軸的截距分別為7.5cm、3.5cm。兩節(jié)點(diǎn)相間7個(gè)C原子。由石墨的晶體結(jié)構(gòu)可得系統(tǒng)在x、y方向上電陶瓷的電壓靈敏度分別為=14.53QUOTEAx=15×2.46×sin45o2×813=15.6QUOTEAy=15×2.46×sin45o2×8誤差分析：實(shí)驗(yàn)的掃描效果并不是很理想，圖像不是很清晰。這和掃描過(guò)程中的眾多因素有關(guān)，如外界信號(hào)的干擾、掃描參數(shù)的設(shè)置、真空度、石墨樣品表面的光滑程度等，其中影響最大的就是制備的針尖質(zhì)量的好壞，如針尖縱橫比和尖銳程度?？v橫比越小的針尖，做實(shí)驗(yàn)所得的效果越好。彎液面的形狀決定針尖的縱橫比和整體形狀。彎液面越短，縱橫比越小。在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程中，鎢絲截面的變化和擾動(dòng)等原因均可能引起彎液面位置的變化，為避免形成畸形針尖，應(yīng)時(shí)刻注意液面的變化。所以不能對(duì)著樣品吹氣，不能使桌面振動(dòng)。鎢絲在溶液中的長(zhǎng)度也直接影響針尖的質(zhì)量。如果在溶液中的殘端太長(zhǎng)，在重力的作用下，殘端掉落得快，這樣的針尖縱橫比大，會(huì)影響針尖的穩(wěn)定性。我們的針尖不夠好的原因就是缺乏耐心，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中多次查看使液面不穩(wěn)定。我們掃描得到的圖像上下兩部分的原子層排列有點(diǎn)錯(cuò)位，原子輪廓也不是很清晰，使原子中心不太好確定。這對(duì)靈敏度的計(jì)算產(chǎn)生了一定的誤差。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)