掃描隧道顯微鏡PPT課件

1、掃描隧道顯微鏡(STM) 姜傳海 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,一、概述 1、STM特點(diǎn) 2、基本原理 二、STM儀器 1、隔絕振動(dòng) 2、機(jī)械設(shè)計(jì) 3、負(fù)反饋電路 4、樣品制備 三、應(yīng)用舉例,一、概述 材料的表面和界面結(jié)構(gòu)與材料的許多性能有重要關(guān)系，研究表面結(jié)構(gòu)對(duì)改進(jìn)材料的性能和開發(fā)研制新材料有很大意義。 但是，表面結(jié)構(gòu)特別是原子水平上的表面結(jié)構(gòu)信息是很難獲得的。,在過去幾十年中，人們花了很大精力先后開發(fā)電子顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡、掃描電鏡和低能電子衍射等技術(shù)，可以探測(cè)一些表面結(jié)構(gòu)信息。 但這些工具都有較大的局限性。,透射電鏡只能在真空條件下觀察極薄的樣品，觀察的是整體的結(jié)構(gòu)投影

2、，只有少數(shù)情況下可獲得原子級(jí)分辨率的圖像。 場(chǎng)發(fā)射顯微鏡只能觀察少數(shù)幾種高熔點(diǎn)金屬針尖的表面結(jié)構(gòu)，分辨率只有幾個(gè)納米。,場(chǎng)離子顯微鏡雖可達(dá)到原子級(jí)分辨率，但也只能在超高真空和高電場(chǎng)條件下觀察少數(shù)幾種高熔點(diǎn)金屬針尖的表面結(jié)構(gòu)。 掃描電鏡雖然較容易在真空條件下觀察固體樣品的表面形貌，但分辨率只能達(dá)到幾十納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到原子級(jí)分辨。,低能電子衍射雖然可以在超高真空條件下測(cè)得單晶表面原子級(jí)的結(jié)構(gòu)，但低能電子衍射圖提供的是倒易空間的結(jié)構(gòu)信息，需要通過傅氏變換才能得到實(shí)空間結(jié)構(gòu)。 所得的只是表面平均結(jié)構(gòu)而非局域的結(jié)構(gòu)，而且由于電子在固體中的多重散射，使低能電子衍射的數(shù)據(jù)處理十分復(fù)雜。,掃描隧道顯微鏡(ST

3、M)出現(xiàn)于1981年，是一種新型的研究表面結(jié)構(gòu)的有力工具。 它能夠以原子級(jí)的分辨率觀察表面的原子結(jié)構(gòu)和電子行為，在表面科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景。,1、STM特點(diǎn) STM具有的特點(diǎn)： (1)具有原子級(jí)的分辨率，橫向和縱向分辨率分別可達(dá)到0.1nm和0.01nm，可分辨單個(gè)原子。 (2)可實(shí)時(shí)地直接得到實(shí)空間中的表面三維圖像，可研究具周期性或不具周期性的表面結(jié)構(gòu)，配合隧道譜(STS)和功函數(shù)，可以得到表面電子結(jié)構(gòu)的信息，甚至可直接觀察到表面單個(gè)的鍵。,(3)可觀察表面局域的原子結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)，而非平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附物的形態(tài)和位置、以及由吸附引

4、起的表面重構(gòu)等。 (4)可以在真空、大氣、常溫、低溫等不同環(huán)境下工作，還可以在液體環(huán)境下工作，制樣技術(shù)比較簡(jiǎn)單；,(5)對(duì)樣品表面的測(cè)量是非破壞的，因?yàn)獒樇庠诰鄻悠芳slnm處掃描，偏壓很小，隧道電流亦很小，因此對(duì)表面不造成損傷。,2、基本原理 STM工作的基礎(chǔ)是量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。 根據(jù)經(jīng)典力學(xué)，當(dāng)電子的能量低于勢(shì)壘時(shí)，是不能穿過勢(shì)壘區(qū)域的。 但根據(jù)量子力學(xué)，電子具有波動(dòng)性，電子能夠以一定幾率穿過勢(shì)壘，這就是所謂的隧道效應(yīng)。,例如，當(dāng)一個(gè)金屬針尖和一個(gè)導(dǎo)電樣品很接近時(shí)(相距約lnm)，盡管兩者間仍是一很薄的絕緣層，有較高的勢(shì)壘，但兩者波函數(shù)已有一定程度的交疊。 把針尖和樣品作為兩個(gè)電極，加上

5、微小的電壓，電子即可穿過其間的勢(shì)壘產(chǎn)生所謂隧道電流。,由于樣品和針尖的電子波函數(shù)隨離開表面的距離呈指數(shù)衰減，隧道電流對(duì)針尖和樣品間的距離的變化十分敏感。,STM就是利用針尖與樣品間施加微小電壓時(shí)隧道電流隨它們的間距變化十分靈敏這一效應(yīng)，用針尖在表面掃描，測(cè)量表面原子排列造成的微小起伏引起的隧道電流的變化，即可獲得原子級(jí)分辨率的表面結(jié)構(gòu)信息。,圖中針尖與樣品間隔占約lnm，針尖與在X、Y和Z三個(gè)方向上互成直角的三根壓電陶瓷相連。電壓改變時(shí)，壓電陶瓷即伸長或收縮，其靈敏度或分辨率可達(dá)10-2nm。,改變加在X和Y方向壓電陶瓷的電壓，針尖即可在XY平面上掃描；改變Z方向上的電壓，針尖即可在縱向(Z方

6、向)升降使針尖與樣品間距離改變。,STM的工作模式一般有恒流模式和恒高模式兩種(見圖)。恒流模式是掃描(針尖X和Y位置變化)時(shí)隨著表面的起伏不斷調(diào)節(jié)Z方向壓電陶瓷上的電壓，使隧道電流維持不變(通過負(fù)反饋回路實(shí)現(xiàn)) 。,記錄下高度Z(與壓電陶瓷電壓關(guān)聯(lián))的變化與X和Y位置的關(guān)系，即可得到有關(guān)表面形貌變化的圖像。,恒流工作模式可用于起伏較大的表面，是最常用的模式。恒高模式則是在掃描時(shí)保持針尖的高度不變(間距S在變)，觀測(cè)隧道電流的變化與X和Y位置的關(guān)系。,這也反映出表面形貌的變化，這種模式可以掃描較快，但對(duì)起伏較大的表面，掃描時(shí)針尖易與表面相碰使針尖損壞。,二、STM儀器 STM儀器為了實(shí)現(xiàn)原子級(jí)

7、分辨率，需要解決諸如隔絕振動(dòng)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電路及樣品制備中的一系列技術(shù)關(guān)鍵。,1、隔絕振動(dòng) STM探針與樣品距離只有約lnm，間距變化10-2nm則隧道電流變化約一個(gè)數(shù)量級(jí)，極微小的振動(dòng)都會(huì)對(duì)STM的測(cè)量產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 因此STM儀器防振、減振要求很高，通常要求振動(dòng)幅度小于l0-3nm。振動(dòng)的隔絕可用磁阻尼、空氣阻尼、彈簧和橡膠墊等。,2、機(jī)械設(shè)計(jì) 針尖驅(qū)動(dòng)器和樣品臺(tái)設(shè)計(jì)要求剛性好，有高的共振頻率，避免振動(dòng)干擾。X-Y-Z的掃描微動(dòng)精度要求很高，采用壓電陶瓷施加適當(dāng)電壓來實(shí)現(xiàn)。 可使針尖被驅(qū)動(dòng)，也可使樣品被驅(qū)動(dòng)，Z方向的伸縮范圍約m，分辨率達(dá)10-3nm；X-Y方向的掃描范圍至少m，精度達(dá)10

8、-2nm。,為了能方便地?fù)Q樣品，換樣品后能快速使針尖和樣品接近而又不相互碰撞，需要粗調(diào)裝置，粗調(diào)到Z壓電陶瓷能用電壓調(diào)節(jié)的區(qū)域(一般幾十納米)，然后通過Z壓電陶瓷細(xì)調(diào)到產(chǎn)生所需隧道電流的狀態(tài)(約 l nm)。,3、負(fù)反饋電路 電子系統(tǒng)的主體是電流負(fù)反饋控制線路，在恒流模式下，隧道電流經(jīng)前置放大器，再經(jīng)對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行線性化，并與參考電流進(jìn)行比較。,其差值經(jīng)過比例積分后，放大再加到 Z 壓電陶瓷上以調(diào)整針尖與樣品表面間距使隧道電流維持不變。,4、樣品制備 在真空中進(jìn)行金屬、半導(dǎo)體的清潔或吸附表面的研究時(shí)，和其它表面技術(shù)一樣有一些通用的處理方法，如真空劈裂、高溫退火、離子濺射等，以獲得清潔干凈的表面。 還可用高定向熱解石墨(HOPG)及MoS2或單晶金作為載體，它們表面平整度很好，可以載負(fù)生物或有機(jī)分子進(jìn)行研究。在空氣中則多用這類載體，載負(fù)某些分子進(jìn)行研究。,三、應(yīng)用舉例 圖中給出在空氣中由STM得到的石墨的表面圖像，以及石墨的晶體結(jié)構(gòu)。,從晶體結(jié)構(gòu)，可以區(qū)分出三種不同的位置：A位置表層有一個(gè)碳原子，下一層對(duì)應(yīng)