掃描隧道顯微鏡

1、掃描隧道顯微技術(shù)掃描隧道顯微技術(shù)Scanning Tunneling MicroscopeScanning Tunneling Microscope劉永2014.111933年年，德國科學(xué)家德國科學(xué)家Ruska和和Knoll等人在柏等人在柏林制成第一臺電子顯微林制成第一臺電子顯微鏡鏡此后此后幾十年幾十年，TEM、 SEM、FIM 等等相繼出現(xiàn)相繼出現(xiàn)1981年，葛年，葛賓尼和賓尼和海海羅雷爾羅雷爾等人等人研制研制出出新型的表面分析儀器新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡1986年，年，STM的發(fā)明的發(fā)明者賓尼和羅雷爾被者賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)授予諾貝爾物理學(xué)獎獎目前具有原子分

2、辨率的科學(xué)儀器主要有三種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：透射電子顯微鏡(TEM)，場離子顯微鏡場離子顯微鏡(FIM)和和STM。TEM研究的是物體的體性質(zhì)；研究的是物體的體性質(zhì)；FIM只能研究只能研究可可制備成極制備成極細(xì)針尖的細(xì)針尖的固體樣品固體樣品表面表面原子原子.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)到了原子原子分辨率。分辨率。STM的出現(xiàn)使人類第一次能夠在實(shí)空間實(shí)時地的出現(xiàn)使人類第一次能夠在實(shí)空間實(shí)時地觀察觀察單個原子在物質(zhì)表面單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為電

3、子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。如，有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。如，1983年年G. Binning等人首次給出了等人首次給出了Si(111)7x7重構(gòu)表面的重構(gòu)表面的實(shí)空間實(shí)空間原子像原子像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意義和廣闊的前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為和廣闊的前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)世紀(jì)80年代世界十大科技年代世界十大科技成就成就之之一一一、一、STM結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理二、二、STM特點(diǎn)特點(diǎn)三、三、STM, TEM, SEM, FIM的比較的比較四、四、STM前沿發(fā)展前沿發(fā)展一、一、STM結(jié)構(gòu)

4、及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理二、二、STM特點(diǎn)特點(diǎn)三、三、STM, TEM, SEM, FIM的比較的比較四、四、STM前沿發(fā)展前沿發(fā)展1、隧道效應(yīng)和隧道電流、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，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來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，由于粒子存在波動性，當(dāng)一個粒子處在一個勢壘之中時，粒子越過勢壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零， 這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 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)榱恪＝饘俦砻嫱?，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長度約為 1nm。用一個極細(xì)的、僅

5、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)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品表面與針尖非?？拷?距離1nm)時，兩者電子云略有重疊。2、STM的基本結(jié)構(gòu)及工作原理的基本結(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，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，獲得原子級樣品表面形貌特征圖。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)1) 金屬探針金屬探針 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，也影響著測定的電子形態(tài)。如果所制備的針

6、尖的最尖端只有一個穩(wěn)定的原子而不是多重針尖(毛刺)，那么隧道電流就會很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級分辨率的圖像。此外，還要求針尖的化學(xué)純度高、無氧化層覆蓋。制備方法制備方法電化學(xué)腐蝕法電化學(xué)腐蝕法聚焦離子束銑聚焦離子束銑削法削法機(jī)械成型法機(jī)械成型法電子束誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法電子束誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法場致蒸發(fā)法場致蒸發(fā)法電化學(xué)腐蝕法電化學(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，以鎢絲為陽極，安裝在一個高度可調(diào)節(jié)測微儀上，兩極間加412 V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、無水乙醇沖洗。2) 壓電陶瓷掃描器壓電陶瓷掃描器 壓電陶瓷材料能以簡

7、單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉(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)動范圍達(dá)到1 m，精度0.05 (高級STM達(dá)到0.01 ); x或y方向上運(yùn)動范圍達(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，其控制精度可以達(dá)到0.001 nm。 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 單管掃描器(Tube Scanner)具有高的壓電元件常數(shù)以及高的共振頻率。 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，圖像數(shù)據(jù)為等距離

8、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、Curie點(diǎn)、壓電系數(shù)的溫度關(guān)系、老化等。 3) 反饋調(diào)節(jié)反饋調(diào)節(jié)器以及控制與顯示系統(tǒng)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。4) 其他部件其他部件 在STM中還有粗調(diào)定位器、振動隔離系統(tǒng)和樣品臺等部分。 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2m，安全

9、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，因此外界振動對STM的干擾必須降到0.01以下。3、工作模式、工作模式 根據(jù)針尖和樣品的相對運(yùn)動方式不同，工作模式分為恒電流模式和恒高模式。 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1 nm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隧道電流信號的干擾，從而獲得高分辨率的圖像。 恒電流

10、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，因此不會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。 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，同時還可以得到掃描隧道譜。利用這些譜線可對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，同時測量隧道電流，便可獲得隧道電流隨偏壓(I-Vb或dI/dVb-V

11、b)變化曲線 ，即掃描隧道譜。一、一、STM結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理二、二、STM特點(diǎn)特點(diǎn)三、三、STM, TEM, SEM, FIM的比較的比較四、四、STM前沿發(fā)展前沿發(fā)展l 具有原子級高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm。l 可實(shí)時地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象。l 觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。Atomic Resolution on Pt(100)l 具有原子級高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm。l 可實(shí)時地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象。l 觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。l 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0 K到110

12、0 K，探測過程對樣品無損傷。UHVAirl 具有原子級高分辨率，分辨率橫向0.1nm、縱向0.01nm。l 可實(shí)時地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象。l 觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。l 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0 K到1100 K，探測過程對樣品無損傷。l 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)。l 配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面局域電子結(jié)構(gòu)的信息。STM技術(shù)局限性：技術(shù)局限性：l 不能探測深層結(jié)構(gòu)信息。l 掃描范圍小。l 探針質(zhì)量具有不確定性，常依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)。l 無法直接觀測絕緣體材料。一、一、STM結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理二、二、STM特點(diǎn)特點(diǎn)三、三、STM, TEM, SEM, FIM的比較的比較四、四、STM前沿發(fā)展前沿發(fā)展一、一、STM結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)構(gòu)及工作原理二、二、STM特點(diǎn)特點(diǎn)三、三、STM,