掃描隧道顯微鏡.ppt

掃描隧道顯微技術(shù)ScanningTunnelingMicroscope 劉永2014 11 掃描隧道顯微鏡出現(xiàn)背景 1986年 STM的發(fā)明者賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 掃描隧道顯微鏡出現(xiàn)意義 目前具有原子分辨率的科學(xué)儀器主要有三種 透射電子顯微鏡 TEM 場(chǎng)離子顯微鏡 FIM 和STM TEM研究的是物體的體性質(zhì) FIM只能研究可制備成極細(xì)針尖的固體樣品表面原子 STM利用電子在針尖和樣品間的隧道效應(yīng)產(chǎn)生的隧道電流 達(dá)到了原子分辨率 STM的出現(xiàn)使人類第一次能夠在實(shí)空間實(shí)時(shí)地觀察單個(gè)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(xué)性質(zhì) 如 1983年G Binning等人首次給出了Si 111 7x7重構(gòu)表面的實(shí)空間原子像 STM在表面科學(xué) 材料科學(xué) 生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景 被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 1 隧道效應(yīng)和隧道電流掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理 通過探測(cè)固體表面原子中電子的隧道電流來(lái)分辨固體表面形貌的新型顯微裝置 那么什么是隧道效應(yīng) 根據(jù)量子力學(xué)原理 由于粒子存在波動(dòng)性 當(dāng)一個(gè)粒子處在一個(gè)勢(shì)壘之中時(shí) 粒子越過勢(shì)壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零 這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng) 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 由于隧道效應(yīng) 金屬中電子不完全局限于金屬表面之內(nèi) 電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?金屬表面外 電子云密度呈指數(shù)衰減 衰減長(zhǎng)度約為1nm 用一個(gè)極細(xì)的 僅原子線度的金屬針尖作為探針 將它與被研究物質(zhì) 即樣品 的表面作為兩個(gè)電極 當(dāng)樣品表面與針尖非?？拷?距離 1nm 時(shí) 兩者電子云略有重疊 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 2 STM的基本結(jié)構(gòu)及工作原理與光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡不同 STM未采用光學(xué)或電子透鏡成像 而是當(dāng)尖銳金屬探針在樣品表面掃描時(shí) 利用針尖 樣品間納米間隙的量子隧道效應(yīng)引起的隧道電流與間隙呈指數(shù)關(guān)系 獲得原子級(jí)樣品表面形貌特征圖 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 壓電陶瓷掃描器反饋調(diào)節(jié)器金屬探針控制與顯示系統(tǒng) 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 金屬探針金屬探針是STM技術(shù)中首要解決的問題之一 針尖的大小 形狀和化學(xué)同一性不僅影響著圖像的分辨率和表面的形貌 也影響著測(cè)定的電子形態(tài) 如果所制備的針尖的最尖端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子而不是多重針尖 毛刺 那么隧道電流就會(huì)很穩(wěn)定 而且能夠獲得原子級(jí)分辨率的圖像 此外 還要求針尖的化學(xué)純度高 無(wú)氧化層覆蓋 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 制備方法 電化學(xué)腐蝕法 聚焦離子束銑削法 機(jī)械成型法 電子束誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法 場(chǎng)致蒸發(fā)法 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 電化學(xué)腐蝕法多用鎢絲作針尖 所得到針尖直徑可小于100 以不銹鋼或鉑為陰極 以鎢絲為陽(yáng)極 安裝在一個(gè)高度可調(diào)節(jié)測(cè)微儀上 兩極間加4 12V電壓 腐蝕幾分鐘后 鎢絲在界面附近變尖細(xì) 形成針尖 最后用蒸餾水 無(wú)水乙醇沖洗 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 2 壓電陶瓷掃描器壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV 1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移 目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x y z掃描控制器件 z方向上運(yùn)動(dòng)范圍達(dá)到1 m 精度0 05 高級(jí)STM達(dá)到0 01 x或y方向上運(yùn)動(dòng)范圍達(dá)到125 m 精度1 通過控制電壓連續(xù)變化 針尖就可以在垂直面上或者水平面上做連續(xù)的升降或平移運(yùn)動(dòng) 其控制精度可以達(dá)到0 001nm 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 出現(xiàn)的多種結(jié)構(gòu)的掃描器 三角架掃描器雙壓電晶片掃描器單管掃描 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 單管掃描器 TubeScanner 具有高的壓電元件常數(shù)以及高的共振頻率 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 通過控制STM的壓電陶瓷掃描器 其掃描路線為光柵掃描 當(dāng)掃描器沿直線掃描時(shí) 圖像數(shù)據(jù)為等距離取樣獲得 用作掃描器的壓電陶瓷的選擇主要考慮壓電陶瓷的壓電系數(shù) 退極化場(chǎng) Curie點(diǎn) 壓電系數(shù)的溫度關(guān)系 老化等 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 3 反饋調(diào)節(jié)器以及控制與顯示系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)器與控制系統(tǒng)用來(lái)調(diào)節(jié)和控制STM偏壓 壓電陶瓷掃描電壓以及隧道電流設(shè)定值 用以保證上述功能連續(xù)變化 最后由顯示系統(tǒng)給出結(jié)果 應(yīng)當(dāng)指出 掃描隧道顯微鏡分析的樣品表面狀態(tài)對(duì)顯微圖像的質(zhì)量也有重要影響 通常樣品要經(jīng)過一系列的處理獲得平坦而純凈的表面 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 4 其他部件在STM中還有粗調(diào)定位器 振動(dòng)隔離系統(tǒng)和樣品臺(tái)等部分 粗調(diào)定位器是STM的重要組成部分 STM壓電掃描器的Z向伸縮范圍一般小于2 m 安全可靠地將針尖 樣品間距從毫米減少到微米 是STM順利工作的前提 有效的振動(dòng)隔離是STM達(dá)到原子分辨率的必備條件之一 STM原子分辨的樣品表面像的典型起伏約為0 1 因此外界振動(dòng)對(duì)STM的干擾必須降到0 01 以下 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 3 工作模式根據(jù)針尖和樣品的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式不同 工作模式分為恒電流模式和恒高模式 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 恒高模式是在掃描過程中切斷反饋回路保持針尖的高度不變 記錄隧道電流的大小值 恒高模式適于觀察表面起伏較小的樣品 一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品 在恒高模式下 STM可進(jìn)行快速掃描 獲得STM圖像快 而且能有效減少噪聲和熱飄逸對(duì)隧道電流信號(hào)的干擾 從而獲得高分辨率的圖像 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 恒電流模式是通過反饋回路在偏壓不變的情況下保持隧道電流恒定 記錄z向壓電掃描器的伸縮情況 得到一個(gè)等電流面 恒電流模式是STM最常用的一種工作模式 在此模式下 STM的針尖隨樣品表面起伏而上下運(yùn)動(dòng) 因此不會(huì)因表面起伏太大而碰撞到樣品表面 所以恒電流模式適于觀察表面起伏較大的樣品 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 利用掃描隧道顯微技術(shù) 不僅可以獲取樣品表面形貌圖像 同時(shí)還可以得到掃描隧道譜 利用這些譜線可對(duì)樣品表面顯微圖像作逐點(diǎn)分析 以獲得表面原子的電子結(jié)構(gòu)等信息 具體操作是 在樣品表面選一定點(diǎn) 并固定針尖與樣品間的距離 連續(xù)改變偏壓 Vb 值從負(fù)幾伏至正幾伏 同時(shí)測(cè)量隧道電流 便可獲得隧道電流隨偏壓 I Vb或dI dVb Vb 變化曲線 即掃描隧道譜 一 STM結(jié)構(gòu)及工作原理 二 STM特點(diǎn) 具有原子級(jí)高分辨率 分辨率橫向0 1nm 縱向0 01nm 可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象 觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu) AtomicResolutiononPt 100 二 STM特點(diǎn) 具有原子級(jí)高分辨率 分辨率橫向0 1nm 縱向0 01nm 可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象 觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu) 可在真空 大氣等不同環(huán)境下工作 甚至可將樣品浸在溶液中 工作溫度在0K到1100K 探測(cè)過程對(duì)樣品無(wú)損傷 二 STM特點(diǎn) 具有原子級(jí)高分辨率 分辨率橫向0 1nm 縱向0 01nm 可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象 觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu) 可在真空 大氣等不同環(huán)境下工作 甚至可將樣品浸在溶液中 工作溫度在0K到1100K 探測(cè)過程對(duì)樣品無(wú)損傷 通過針尖與樣品間的電學(xué)和力學(xué)作用 可以進(jìn)行樣品表面的原子操縱或納米加工 構(gòu)造所需的納米結(jié)構(gòu) 二 STM特點(diǎn) 配合掃描隧道譜STS ScanningTunnelingSpectroscopy 可以得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信息 二 STM特點(diǎn) STM技術(shù)局限性 不能探測(cè)深層結(jié)構(gòu)信息 掃描范圍小 探針質(zhì)量具有不確定性 常依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn) 無(wú)法直接觀測(cè)絕緣體材料 三 STM TEM SEM FIM的比較