掃描隧道顯微鏡

1、職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫教學資源庫主講教師：賈 金 龍掃描隧道顯微鏡 蘭 州 工 業(yè) 學 院金屬材料檢測技術課程職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫 掃描隧道顯微鏡的工作原理 掃描隧道顯微鏡的分辨率21目 錄 掃描隧道顯微鏡的結構 3 掃描隧道顯微鏡工作方式4金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫1.掃描隧道顯微鏡的分辨率 掃描隧道顯微鏡除具有一定的橫向分辨本領外，還具有極優(yōu)異的縱向分辨本領，掃描隧道顯微鏡的橫向分辨率達0.1nm，在與樣品垂直的方向，其分辨率高達0.01nm。金屬材料檢測技術掃描隧道顯微鏡職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢

2、測技術 掃描隧道顯微鏡具有極優(yōu)異的分辨本領，可有效地填補SEM、TEM、FIM的不足，而且，從儀器工作原理上看，掃描隧道顯微鏡對樣品的尺寸形狀沒有任何限制，不破壞樣品的表面結構。目前，掃描隧道顯微鏡已成功地用于單質金屬、半導體等材料表面原子結構的直接觀察。職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫2. 掃描隧道顯微鏡的工作原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理就是利用量子力學中的隧道效應，通過測量探針與被測樣品之間的隧道電流的變化來分辨固體表面的形貌。金屬材料檢測技術掃描隧道顯微鏡的工作原理圖職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫3. 掃描隧道顯微鏡的結構 一般的來說隧道掃描顯微鏡主要由三個部分組成：

3、顯微鏡主題，控制電路，計算機控制系統(tǒng)，在這其中最重要的就是主體，它包括了針尖平面掃描機構，針尖與樣品距離控制調節(jié)機構，系統(tǒng)與外界震動隔離裝置。金屬材料檢測技術掃描隧道顯微鏡的結構職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫（1）針尖結構 根據(jù)量子力學的隧道效應可以知道隧道電流的大小與密切相關所以針尖的條件非常重要，理想的針尖只有一個穩(wěn)定的原子，現(xiàn)在主要的針尖材料有鎢，鉑銥合金（75%的鉑和25%的銥）。金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢測技術針尖示意圖職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫針尖的制備金屬材料檢測技術 制備針尖主要有兩種技術，分別是機械成型法和電化學

4、腐蝕法。機械法主要是剪切成型，應用在鉑銥合金上。利用剪切法制作針尖方法簡單，在一般情況下可以制得較好的針，也可以滿足要求。職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫 電化學法主要用在鎢針頭的制作，制出的針尖其針頭為圓錐狀，其掃描出的圖像與真實的圖像比較接近，不需要進行太大的圖像矯正，且矯正難度與要求較低。但是這種針頭的使用受到實驗條件的限制，且其制做的成本較高，并且以為是鎢作為針頭，在空氣中容易氧化，利用率不高。金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫（2）掃描控制系統(tǒng) 由于其是在原子尺度上進行工作，針尖要進行工精密度移動，一般的機械裝置難以勝任，所以在掃描隧道顯微鏡中用壓電陶瓷

5、作為掃描控制器件。金屬材料檢測技術壓電陶瓷職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫針尖與樣品間的距離控制系統(tǒng)主要是控制針尖與樣品間的距離裝置，其主要可以分為三種：爬行方式，機械調節(jié)裝置和螺桿與簧片的結合方式。金屬材料檢測技術（3）針尖與樣品間的距離控制系統(tǒng)職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢測技術（1）爬行方式：利用靜電力，機械力，磁力的夾緊，并配合壓電陶瓷的伸縮或者膨脹勢樣品架或針尖向前爬行。職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢測技術（2）機械調節(jié)裝置：利用一個或多個高精密度得差分調節(jié)螺桿配合減速原理考靠接觸力調節(jié)樣品的位置。差分螺桿的調節(jié)不僅可以利用手動旋轉也可

6、以利用進步電機驅動等方式驅動。職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢測技術 （3）螺桿與簧片的結合方式： 用一個高精密的調節(jié)螺桿直接頂住一個差分簧片或者簧片系統(tǒng)調節(jié)。這三種各有各的千秋，第一種方式多使用于真空條件下，第二種在大氣環(huán)境中使用的比較多，而第三種一般在低溫條件下。職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫（4）震動隔絕系統(tǒng) 掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)的底座一般由大理石和橡膠板疊加堆放，這樣的堆放方式使得底座的固有阻尼一般只有臨界阻尼的十分之幾甚至百分之幾，它的主要作用是減小大幅震動沖擊所帶來的影響。除此之外還可以用彈簧將探測部分懸掛起來，彈簧的彈性系數(shù)較小，共振系數(shù)也較小。金屬材料

7、檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫4. 掃描隧道顯微鏡工作方式 掃描隧道顯微鏡在工作時有兩種模式分別是恒高模式和恒流模式。金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫（1） 恒高模式 恒高模式就是掃描隧道顯微鏡在掃描的時候始終保持探針高度不變，檢測隧道電流的變化，再經(jīng)過程序處理可以得到樣品的表面起伏變化，從而得到樣品表面的原子形貌圖形。恒高模式只能用于表面形狀起伏不大的樣品，其優(yōu)點是掃描速度快，從而可以減小噪音和熱漂移對信號的影響。金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫金屬材料檢測技術恒高模式恒流模式職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫（2） 恒流模式 在掃描隧道顯微鏡圖像掃描時，保持隧道電流恒定，利用反饋電路控制探針，使針頭在Z方向上運動，保持樣品與針尖的距離不變，保持隧道電流不變，從反饋電路中得到樣品與針尖之間的距離變化信息，就反應了樣品的表面起伏。恒流模式主要用于觀察表面起伏變化較大的樣品，不足之處就是樣品表面的某些溝槽不能準確探測，且當樣品表面有缺陷時容易損害針尖。金屬材料檢測技術職業(yè)教育材料成型與控制技術專業(yè)教學資源庫小 結 1. 掃描隧道顯微鏡的橫向分辨率達0.1nm，在與樣品垂直的方向，其分辨率高達