stm掃描隧道顯微鏡分析原理及方法

掃描隧道顯微鏡分析原理及方法

ScanningTunnelingMicroscopeSTM概述優(yōu)點與應用原理STM儀器局限性與發(fā)展

概述：

1933年，德國和等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問世。如：TEM、SEM、FEM、FIM、LEED、AES等。1982.年，國際商業(yè)機器公司蘇黎世實驗室的GerdBinnig博士和HeinrichRohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一臺新型的表面分析儀器——STM。它的出現(xiàn)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)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)，在表面科學、材料科學、生命科學等領(lǐng)域的研究中有著重廣闊的前景，被國際科學界認為八十年代世界十大科技成就之一。

優(yōu)點與應用：具有原子級高分辨率。表面原子結(jié)構(gòu)的研究：表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等可實時地得到在實空間中表面的三維圖象。可實時觀測性可用與表面擴散等動態(tài)過程的研究工作環(huán)境范圍廣。真空、大氣、常溫。水或其它溶液。因此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評價，如對多相催化機理、超導機制、電化學反應過程中電極表面的監(jiān)測等配合STS可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。表面態(tài)的研究：表面電子態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘變化和能隙結(jié)構(gòu)等紅細胞三維圖像DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)細胞膜的表面結(jié)構(gòu)細胞生長

ＳＴＭ與ＥＭ、ＦＩＭ的各項性能指標比較分辨率工作環(huán)境樣品環(huán)境溫度對樣品破壞程度檢測深度ＳＴＭ原子級（垂直０。０１nm）（橫向０。１nm）實環(huán)境、大氣、溶液、真空室溫或低溫無１～２原子層ＴＥＭ點分辨（０。３～０。５ｎｍ）晶格分辨（０。１～０。２ｎｍ）高真空室溫小〈１００ｎｍＳＥＭ６～１０ｎｍ高真空室溫?。保埃恚恚ǎ保氨稌r）１ｍ（１０００倍時）ＦＩＭ原子級超高真空３０～８０ｋ有原子厚度

Atunnelingcurrent掃描隧道顯微鏡

(1981)tipsampleI

e2

d=

A

+

)

隧道電流分辨率

(nm)

0.1

eff0.05nm10AA＝3原理：STM儀器：電子反饋系統(tǒng)控制隧道電流計算機控制針尖掃描針尖將隨樣品表面起伏而起伏得到表面的第三維信息STM儀器：振動隔絕系統(tǒng)合成橡膠緩沖墊彈簧懸掛磁性渦流阻尼機械設計壓電陶瓷隧道針尖計算機控制系統(tǒng)硬件軟件機械設計：

在ｚ方向的伸縮范圍至少為１

ｍ，精度約為０。０１ｎｍ在ｘ和ｙ方向的掃描范圍至少為１

ｍｘ１

ｍ，精度應在左右０。０１ｎｍ在ｚ方向機械調(diào)節(jié)的精度應高于０。１

ｍ，其精度至少應在壓電陶瓷驅(qū)動器方向長度變化范圍內(nèi)，這個變化范圍由驅(qū)動點壓和壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)所決定。機械調(diào)節(jié)的范圍應在１ｍｍ以上能在較大的范圍內(nèi)選擇感興趣的區(qū)域掃描針尖與樣品之間的間隙盡可能具有較高的穩(wěn)定性，即具有較高的機械振動頻率在理想的機械設計中應滿足如下要求：

壓電陶瓷：壓電現(xiàn)象隧道針尖：隧道針尖結(jié)構(gòu)的影響制備針尖的方法：電化學腐蝕法、機械成型法

STM儀器：隧道針尖結(jié)構(gòu)的影響SchematicsandImageProfilesofSpheresScannedwithaSharp(left)andDull(right)ProbeInTouchwithAtoms?Theaccumulationofdebrisontheendofthetipcanalsodullthetipandresultinimagedistortion,asshownbelow.SchematicandImageProfileofTrenchesScannedwithaDirtyTipDullorDirtyTipIfthetipbecomeswornorifdebrisattachesitselftotheendofthetip,thefeaturesintheimagemayallhavethesameshape.Whatisreallybeingimagedisthewornshapeofthetiportheshapeofthedebris,notthemorphologyofthesurfacefeatures.DoubleorMultipleTipsDoubleormultipletipimagesareformedwithatipwithtwoormoreendpointswhichcontactthesamplewhileimaging.TheaboveimagesareexamplesLoosedebrisonthesamplesurfacecancauselossofimageresolutionandcanproducestreakingintheimage.Theimageontheleftisanexampleofthelossofresolutionduetothebuildupofcontaminationonthetipwhenscanningfrombottom-to-top.Theimageontherightisanexampleofskipsandstreakingcausedbyloosedebrisonthesamplesurface.計算機控制系統(tǒng)：硬件

計算機控制系統(tǒng)：軟件掃描表面掃描掃描隧道譜功函數(shù)譜定標定標視圖圖象處理濾波對比度拉伸三維表面顯示納米加工HL-II型掃描探針顯微鏡操作界面forwindows9x使用方便幫助系統(tǒng)完善參數(shù)實時調(diào)節(jié)多通道采集參數(shù)自動保存可離線處理可改變色階GdC82-Peapod具有空間分辨的局域電子態(tài)00.20.4-0.4-0.2SampleBias(V)dI/dV

(A.U.)00.20.4-0.4-0.2SampleBias(V)dI/dV

(A.U.)0.3eV0.5eVKhangetal.,KoreaUniv.

HL-II型掃描探針顯微鏡高度定標功能長度定標功能HL-II型掃描探針顯微鏡

局限性與發(fā)展:局限不能準確探測微粒間的某些溝槽要求樣品必須是導體、半導體局限性與發(fā)展:發(fā)展AFM

(AtomicForceMicroscope)LFM(LaserForceMicroscope)MFM(MagneticForceMicroscope)EFM(ElectrostaticForceMicroscope)BEEM(Ballistic-Electron-EmissionMicroscope)SICM(ScanningIon-ConductanceMicroscope)STP(ScanningTunnelingPotentiometry)PSTM(PhotonScanningTunnelingMicroscope)SNOM(ScanningNear-FieldOpticalMicroscope)AFMHL-II型掃描探針顯微鏡探頭集STM,AFM為一體掃描范圍可手工粗調(diào)樣品厚度可達10mm演示文稿3.ppt

我國掃描探針顯微鏡開發(fā)和生產(chǎn)1987年依托在中國科學院北京科儀中心的中國科學院北京電子顯微鏡實驗室和化學所研制完成了我國第一臺掃描隧道顯