掃描隧道顯微鏡分析原理及方法實(shí)用教案

1、第1頁/共39頁第一頁，共39頁。 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(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗室的Gerd Binnig博士和 Heinrich Rohrer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(yunz)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)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重廣闊的前景，被國際科學(xué)界認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。第2頁/共

2、39頁第二頁，共39頁。第3頁/共39頁第三頁，共39頁。優(yōu)點(diǎn)(yudin)與應(yīng)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(shí)時地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象?？蓪?shí)時觀測性可用與表面擴(kuò)散等動態(tài)過程的研究 工作環(huán)境范圍廣。真空(zhnkng)、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(shí)驗條件下對樣品表面的評價，如對多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)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)等第4頁/共39頁第四頁，共39頁。紅

3、細(xì)胞三維圖像(t xin)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)(jigu)細(xì)胞膜的表面(biomin)結(jié)構(gòu)細(xì)胞生長第5頁/共39頁第五頁，共39頁。與、的各項性能指標(biāo)比較(bjio)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原子級（垂直。nm）（橫向。nm）實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空室溫或低溫?zé)o原子層點(diǎn)分辨（。）晶格分辨（。）高真空室溫小高真空室溫?。ū稌r）（倍時）原子級超高真空有原子厚度第6頁/共39頁第六頁，共39頁。Atunnelingcurrent掃描(somio)隧道顯微鏡 (1981)tipsampleI e2d= A +) 隧道(sudo)電流分辨率(nm) 0.1 eff0.05nm10AA3

4、第7頁/共39頁第七頁，共39頁。原理(yunl)：)exp(21SAIVb第8頁/共39頁第八頁，共39頁。第9頁/共39頁第九頁，共39頁。第10頁/共39頁第十頁，共39頁。STM儀器(yq)： 電子反饋系統(tǒng)控制隧道電流 計算機(jī)控制針尖掃描 針尖將隨樣品(yngpn)表面起伏而起伏 得到表面的第三維信息第11頁/共39頁第十一頁，共39頁。STM儀器(yq)： 振動隔絕系統(tǒng) 合成橡膠緩沖墊 彈簧(tnhung)懸掛 磁性渦流阻尼 機(jī)械設(shè)計 壓電陶瓷 隧道針尖 計算機(jī)控制系統(tǒng) 硬件 軟件第12頁/共39頁第十二頁，共39頁。機(jī)械設(shè)計： 在方向的伸縮范圍至少為，精度約為。 在和方向的掃描范圍

5、至少為，精度應(yīng)在左右。 在方向機(jī)械調(diào)節(jié)的精度應(yīng)高于。 ，其精度至少應(yīng)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(diǎn)壓和壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)(xsh)所決定。機(jī)械調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)在以上 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(jī)械振動頻率第13頁/共39頁第十三頁，共39頁。壓電陶瓷(toc)：壓電現(xiàn)象)/(31tlVldVtd33第14頁/共39頁第十四頁，共39頁。隧道(sudo)針尖： 隧道針尖結(jié)構(gòu)的影響 制備針尖的方法(fngf)：電化學(xué)腐蝕法、機(jī)械成型法第15頁/共39頁第十五頁，共39頁。 STM儀器：隧道針尖(zhn j

6、in)結(jié)構(gòu)的影響Schematics and Image Profiles of Spheres Scanned with a Sharp (left) and Dull (right) Probe第16頁/共39頁第十六頁，共39頁。In Touch with Atoms第17頁/共39頁第十七頁，共39頁。第18頁/共39頁第十八頁，共39頁。 The accumulation of debris on the end of the tip can also dull the tip and result in image distortion, as shown below.Schema

7、tic and Image Profile of Trenches Scanned with a Dirty Tip第19頁/共39頁第十九頁，共39頁。Dull or Dirty TipIf the tip becomes worn or if debris attaches itself to the end of the tip, the features in the image may all have the same shape. What is really being imaged is the worn shape of the tip or the shape of th

8、e debris, not the morphology of the surface features.第20頁/共39頁第二十頁，共39頁。Double or Multiple TipsDouble or multiple tip images are formed with a tip with two or more end points which contact the sample while imaging. The above images are examples第21頁/共39頁第二十一頁，共39頁。Loose debris on the sample surface c

9、an cause loss of image resolution and can produce streaking in the image. The image on the left is an example of the loss of resolution due to the build up of contamination on the tip when scanning from bottom-to-top. The image on the right is an example of skips and streaking caused by loose debris

10、 on the sample surface. 第22頁/共39頁第二十二頁，共39頁。計算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)：硬件第23頁/共39頁第二十三頁，共39頁。計算機(jī)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)：軟件 掃描 表面掃描 掃描隧道譜 功函數(shù)譜 定標(biāo) 定標(biāo)視圖 圖象處理 濾波 對比度拉伸 三維表面顯示(xinsh) 納米加工第24頁/共39頁第二十四頁，共39頁。HL-II 型掃描(somio)探針顯微鏡第25頁/共39頁第二十五頁，共39頁。GdC82- Peapod 具有空具有空間間分辨分辨(fnbin)的局的局域域電電子子態(tài)態(tài)00.20.4-0.4-0.2Sample Bias

11、 (V)dI/dV (A.U.)00.20.4-0.4-0.2Sample Bias (V)dI/dV (A.U.)0.3 eV0.5 eVKhang et al., Korea Univ. 第26頁/共39頁第二十六頁，共39頁。HL-II 型掃描(somio)探針顯微鏡第27頁/共39頁第二十七頁，共39頁。HL-II 型掃描(somio)探針顯微鏡第28頁/共39頁第二十八頁，共39頁。第29頁/共39頁第二十九頁，共39頁。第30頁/共39頁第三十頁，共39頁。局限性與發(fā)展(fzhn):局限 不能準(zhǔn)確探測(tnc)微粒間的某些溝槽 要求樣品必須是導(dǎo)體、半導(dǎo)體第31頁/共39頁第三十一頁

12、，共39頁。局限性與發(fā)展(fzhn):發(fā)展(fzhn) AFM (Atomic Force Microscope) LFM (Laser Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) BEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope) SICM (Scanning Ion-Conductance Microscope) STP (Scanning Tunneling Potentiometry) PSTM (Photon Sca

13、nning Tunneling Microscope) SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)第32頁/共39頁第三十二頁，共39頁。AFM第33頁/共39頁第三十三頁，共39頁。第34頁/共39頁第三十四頁，共39頁。HL-II 型掃描(somio)探針顯微鏡演示文稿3.ppt第35頁/共39頁第三十五頁，共39頁。我國掃描探針(tn zhn)顯微鏡開發(fā)和生產(chǎn) 1987年依托在中國科學(xué)院北京科儀中心的中國科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗室和化學(xué)所研制完成了我國第一臺掃描隧道顯微鏡。此后，化學(xué)所，北京大學(xué),上海原子核研究所等十余個單位也制成了各種STM；化學(xué)所又研制成我國第一臺原子力顯微鏡；中科(zhn k)院北京電鏡室和大連理工大學(xué)開發(fā)了我國