掃描遂道顯微鏡

1、掃描遂道顯微鏡（STM）表面分析儀：1982年第一臺國際商業(yè)機器公司蘇黎世實驗室(Gerd BiningHeinrich Rohrer)STM掃描隧道顯微鏡 功能： 1。主要功能：提供具有原子級分辯率的表面形貌。 2。另一種應用：可以作為譜學研究的工具。表面結(jié)構分析現(xiàn)代儀器歷史 1933年第一臺電子顯微鏡： 透射電子顯微鏡（TEM） 掃描電子顯微鏡（SEM） 場電子顯微鏡（FEM） 場離子顯微鏡（FIM） 掃描隧道顯微鏡（STM） 原子力顯微鏡（AFM） 人眼晴分辯率：0.1mm以上。 光學顯微鏡極限分辯本領是光波的半波長：可見光最短0.4um(半波長：0.2um） 透射電鏡 原理：光線在介質(zhì)

2、中運動與電子在磁場中運動相似性質(zhì)。光波長-電子波長。光學透鏡-磁透鏡。透射電鏡（TEM） 電子波長： 加速電壓：50-100KV。電子波長：0.005360.00370nm 磁透鏡)21(22,221:,:2002cmeVeVmhmeVhmeVveVmvmvh電子被電場加速德布羅意波波長透射電鏡的條件與特征 1.電子運動的軌跡滿足旁軸條件。 2.電子運動的速度是完全相同的。 3.形成透鏡的電磁場具有理想的軸對稱性 4.電鏡的鏡筒內(nèi)部處于高真空。 5.樣品尺寸小，并對電子束是透明的。 6.樣品制備技術與圖像解釋方法發(fā)展。掃描電鏡（SEM） 1.成像原理與與透射電鏡完全不同。 2.高能電子轟擊樣品

3、表面。激發(fā)各種信息。 3.二次電子、透射電子、俄歇電子、X射線等。 4.不同的信息檢測器。 5.高真空狀態(tài)。 6.分辯率遜色于透射電鏡數(shù)十倍。掃描隧道顯微鏡基本原理 量子理論中的隧道效應。 極細探針與研究物質(zhì)作為兩個探極。 隧道電流：)21exp(sAbVI掃描隧道顯微鏡的原理結(jié)構 極細探針與研究物質(zhì)作為兩個探極。掃描模式 恒電流模式：適用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。 恒高度模式：掃描速度快，減少噪音等，不能用于觀察表面起伏大于1nm 的樣品。隧道譜 實驗方式：四種操作方法采集隧道譜數(shù)據(jù)。 1。電流電壓隧道譜。 2。電流間隙特性。 3。恒電流形貌圖（CCT）。 4。電流成像隧道譜（CITS）

4、振動隔絕系統(tǒng) 工作針尖與樣品間距小于1nm.隧道電流與間距成指數(shù)關系。 恒流模式中，表面起伏通常為0.01nm,振動引起小于0.001nm. STM減震系統(tǒng)設計主要考慮低頻：1-100HZ 防振：1.提高儀器的固有振動頻率. 2.使用振動阻尼系統(tǒng)。減震系統(tǒng)： 減震考慮：1-100HZ之間的振動。 提高系統(tǒng)固有振動頻率。 橡膠緩沖墊、彈簧懸掛、磁性渦流阻尼。壓電陶瓷步進馬達掃描控制器： 壓電現(xiàn)象：某種晶體機械力形變電場x,y,z掃描控制器件。 壓電陶瓷材料：極化處理實驗操作與進行： 一.針尖的制作： 二.針尖的安裝： 三.實驗設置：掃描模式、掃描范圍、隧道電流、偏置電壓、反饋電壓、放大、增益。

5、四.逼近隧道區(qū)（隧道電流） 五.掃描：觀察圖象、調(diào)整電流、偏壓等。STM應用： 金屬和半導體表面的STM研究： 研究表面上發(fā)生的物理與化學過程。 物理例如：晶體生長過程、表面物質(zhì)沉積過程。 表面化學反應。STM在生命科學研究中的應用： 1.基底的選擇：高定向石墨（HOPG） 2.樣品的導電性：早期在生物樣品表面蒸鍍上一層導電膜。 3.吸附在導電基底上的生物樣品足夠薄。掃描遂道顯微鏡（STM）獨特優(yōu)點： 1.具有原子高分辯率。 2.可實時得到在實空間中表面的三維圖象； 3.可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構。 4.可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作；甚至水中。對樣品無損。 5.可得到表面電子結(jié)構

6、的信息。（配合掃描隧道譜）。STM的局限性與發(fā)展 1.在恒電流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能夠準確探測。恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。 2.樣品必須具有一定程度的導電性。 AFM國內(nèi)教學儀器兩種類型： 上海納星公司（上海交大）： 測試范圍大，軟件適合教學應用，界面漂亮。 北京大學：測試nm數(shù)量級。隔振系統(tǒng)好；真空工作狀態(tài)。能反映科研工作狀況。軟件不適應教學。界面差。 STM掃描隧道顯微鏡的工作原理: Z軸加(減)偏壓使針尖逼近與退離. 三維壓電陶瓷進行掃描工作. 恒流模式工作時:樣品形貌變化信號只控制Z軸方向壓電陶瓷電壓.針尖對樣品掃描控制X、Y方向壓電陶瓷（粗調(diào)與有序控制）北大掃描隧道顯微鏡結(jié)構形式隧道針尖 STM技術中的主要問題。 鎢針尖的制備：電化學腐蝕方法：NaOH 鉑銥合金針尖的制備： 機械成形法：剪切法 針尖的保存。鉑銥合金針尖的制備： 兩步電化學腐蝕方法； 機械成形法； 剪切法軟件 1.各項參數(shù)的設置。 2.STM控制、數(shù)據(jù)采集和實時顯示