物理仿真實(shí)驗(yàn)_掃描隧道顯微鏡

1、西安交通大學(xué)物理仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告 物理仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告 掃描隧道顯微鏡 一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 學(xué)習(xí)和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)； 2. 觀測(cè)和驗(yàn)證量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)； 3. 學(xué)習(xí)掃描隧道顯微鏡的操作和調(diào)試過程，并以之來觀測(cè)樣品的表面形貌； 4. 學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)軟件處理原始圖象數(shù)據(jù)。 二實(shí)驗(yàn)原理 原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特時(shí)代，但在漫長(zhǎng)的歲月中，原子還只是假設(shè)而并非可觀測(cè)到的客體. 人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，光學(xué)顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到10-7m 電子

2、顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達(dá)到原子級(jí)的分辨率0.1nm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)和真空條件 場(chǎng)離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測(cè)半徑小于 100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣品制備復(fù)雜，可用來作為樣品的材料也十分有限.X射線衍射和低能電子衍射等原子級(jí)分辨儀器，不能給出樣品實(shí)空間的信息，且只限于對(duì)晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行研究 與其他表面分析技術(shù)相比，STM具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1) 具有

3、原子級(jí)高分辨率，STM 在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá) 01nm 和 001 nm，即可以分辨出單個(gè)原子 2) 可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究 3) 可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等 4) 可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過程對(duì)樣品無損傷這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的

4、評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、超一身地創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。 5) 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。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等 6) 利用 STM 針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 1. 隧道電流 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘(如

5、圖1)這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 隧道效應(yīng)是由于粒子的波動(dòng)性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會(huì)顯著。經(jīng)計(jì)算，透射系數(shù)T為： 由式(1)可見，T與勢(shì)壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的關(guān)系。隨著勢(shì)壘厚(寬)度a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢(shì)壘的現(xiàn)象。 掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。 隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數(shù)有關(guān)： 式中Vb是加在針尖和樣

6、品之間的偏置電壓，平均功函數(shù) 1和2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，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。 2. 掃描隧道顯微鏡的工作原理 由式(2)可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小 0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì) x-y 方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。 掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。 = 恒

7、電流模式：如圖（a）所示 x-y 方向進(jìn)行掃描，在 z 方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動(dòng)，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在 z 方向上驅(qū)動(dòng)的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。 = 恒高度模式：如圖(b)所示 在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測(cè)量表面形貌起伏不大的樣品。 三實(shí)驗(yàn)儀器 STM 掃描

8、隧道顯微鏡，STM 控制器，STM 控制軟件 STM 掃描隧道顯微鏡 STM 控制器 STM 控制軟件 四實(shí)驗(yàn)操作方法 1. 打開軟件。 2. 單擊鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇“開始實(shí)驗(yàn)”。 3. 單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇“操作 STM”。 4. 在樣品承載臺(tái)上單擊鼠標(biāo)左鍵，選擇合適的樣品(高序石墨)。 5. 鼠標(biāo)點(diǎn)擊承載臺(tái)下面的調(diào)節(jié)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓針尖盡量接近樣品表面，注意不要損壞針尖。 6. 雙擊 STM 控制器，單擊電源按鈕，打開 STM 控制器開關(guān)。 7. 雙擊電腦，打開 STM 控制軟件。 8. 打開“Z 高度”和“馬達(dá)高級(jí)控制面板”。 9. 點(diǎn)擊“連續(xù)進(jìn)”，找到掃描控制區(qū)。 10. 使用“單步

9、進(jìn)”，讓 Z 高度電流穩(wěn)定在-30 30V 之間。 11. 關(guān)閉高級(jí)馬達(dá)控制面板，點(diǎn)擊“新建高度圖像”。 12. 設(shè)置“高度控制”的顯示范圍為 1nm，“掃描控制面板”的掃描范圍為 5nm。 13. 點(diǎn)擊“開始/停止掃描圖像”，即可掃出高序石墨的原子圖譜。 五實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理 調(diào)節(jié)針尖位置 打開 STM 控制器開關(guān) 打開 STM 控制軟件調(diào)節(jié)各種參數(shù)后： 高序石墨掃描圖像： 六實(shí)驗(yàn)結(jié)論和誤差分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 通過掃描隧道顯微鏡的命名出發(fā)了解了其基本原理，從本質(zhì)上理解了掃描隧道顯微鏡的作用，實(shí)驗(yàn)中在一步步的摸索中明白了每一步實(shí)驗(yàn)步驟的目的。運(yùn)用具有原子分辨率的實(shí)驗(yàn)儀器觀察了高序石墨的表面形貌，

10、使我們有機(jī)會(huì)通過自己的努力獲得原子排列圖 誤差分析： 1. 儀器本身的系統(tǒng)誤差。 2. 可能由于實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)于隧道電流的分辨率問題導(dǎo)致形貌圖和本身原子排列有偏差。 3. 在調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)軟件相關(guān)參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的偏差 七思考題 1.掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什么是量子隧道效應(yīng)？ 答: 根據(jù)隧道電流 S為針尖與樣品距離，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。 對(duì)于經(jīng)典物理

11、學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢(shì)壘這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 2.掃描隧道顯微鏡主要常用的有哪幾種掃描模式？各有什么特點(diǎn)？ 答： 掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。 恒電流模式：如圖（a）所示 x-y方向進(jìn)行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動(dòng)，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在記錄紙或熒

12、光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅(qū)動(dòng)的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。 恒高度模式：如圖(b)所示 在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測(cè)量表面形貌起伏不大的樣品。 3.儀器中加在針尖與樣品間的偏壓是起什么作用的？針尖偏壓的大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果何影響？ 答: 根據(jù)公式 Vb為起偏電壓，將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近 (通常小于1nm) 時(shí)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流，從而根據(jù)不同位置隧道電流和探針與物品距離的上述關(guān)系繪出表面三維形