掃描探針顯微術(shù)

1、掃描探針顯微術(shù)掃描探針顯微術(shù) -通向納米世界的橋梁通向納米世界的橋梁 引言引言顯微術(shù)的發(fā)展歷史顯微術(shù)的發(fā)展歷史諾貝爾物理獎。n掃描探針顯微術(shù)中最早研制成功的是掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy, STM）。1981年在IBM公司瑞士蘇黎世實驗室工作的G.賓尼希,（GBinning）和H.羅雷爾（HRohrer）利用針尖和表面間的隧道電流隨間距變化的性質(zhì)來探測表面的結(jié)構(gòu)，獲得了實空間的原子級分辨圖象。 n光學(xué)顯微鏡，利用透鏡對光線的折射，使物體形成比自身大幾百倍的象，人們可以看到如細(xì)胞、晶粒那樣細(xì)小的物體。但是光的波動性產(chǎn)生的衍射效應(yīng)使光學(xué)顯微鏡的分辨極限

2、只能達(dá)到光波的半波長左右，確切地以下式表示：n其中為波長，為物鏡的孔徑角，N為折射率，d為最小可分辨長度。顯然在可見光范圍內(nèi)d的最小值約為0.3m。 dN0 61.sin 電子的德布羅意波長 hmeV2 n 100KeV的高能電子的波長為.0037nm。n。現(xiàn)代高分辨透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy, TEM）分辨率優(yōu)于0.3nm，n晶格分辨率可達(dá)0.10.2nm。 n 技 術(shù) 名 稱 分 辨 本 領(lǐng) 工 作 環(huán) 境 對樣品影響 檢 測 深 度 nSTM d:0.01nm 大氣、液體 d :0.1nm、 真空均可 無 損 12個原子層 TEM d

3、:無 d :0.2nm 高真空 中 樣品厚0.1m SEM d:低 d :610nm 高真空 小 1m n FIM d :0.2nm 高真空 大 1個原子層 nJ=e2/h(k0/42s)vtexp(-2k0s) 其中為功函數(shù)。如果，則。kh mh mVVeVsnmjAnmT0121212821804510(),.() nj和極間距s成指數(shù)關(guān)系，若5eV，則s增加0.1nm時，電流改變一個數(shù)量級。 Iehf Ef EeVMEEv212()()() 掃描隧道顯微鏡n隧道電流含有表面電子態(tài)密度的信息，隧道電流含有表面電子態(tài)密度的信息，這一點在對圖象進行解釋時必須加以注這一點在對圖象進行解釋時必須加

4、以注意。意。 改變偏壓改變偏壓V V或電極間距或電極間距S S觀察隧道電觀察隧道電流的變化，即可得出電流流的變化，即可得出電流電壓隧道電壓隧道譜和電流譜和電流間隙特性譜，間隙特性譜， 隧道譜含有隧道譜含有豐富的表面電子結(jié)構(gòu)信息。豐富的表面電子結(jié)構(gòu)信息。原理 STM的工作模式 (a)恒高度模式 （保持針尖高度）。n若以針尖為一電極，被測固體表若以針尖為一電極，被測固體表面為另一電極，當(dāng)它們之間的距面為另一電極，當(dāng)它們之間的距離小到離小到nm數(shù)量級時數(shù)量級時,電子可以從電子可以從一個電極通過隧道效應(yīng)穿過空間一個電極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢壘到達(dá)另一電極形成電流，其勢壘到達(dá)另一電極形成電流，其電流大小

5、取決于針尖與表面間距電流大小取決于針尖與表面間距及表面的電子狀態(tài)，如果表面是及表面的電子狀態(tài)，如果表面是由同一種原子組成，由于電流與由同一種原子組成，由于電流與間距成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖在被測間距成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖在被測表面上方做平面掃描時，即使表表面上方做平面掃描時，即使表面起伏僅有原子尺度的起伏，電面起伏僅有原子尺度的起伏，電流卻有成十倍的變化，這樣就可流卻有成十倍的變化，這樣就可用現(xiàn)代電子技術(shù)測出電流的變化，用現(xiàn)代電子技術(shù)測出電流的變化，它反映了表面的起伏，它反映了表面的起伏，恒電流模式 n當(dāng)樣品表面起伏較大時，由于針尖離樣品當(dāng)樣品表面起伏較大時，由于針尖離樣品僅納米高度，恒高度模式掃描會使

6、針尖撞僅納米高度，恒高度模式掃描會使針尖撞擊樣品表面造成針尖損壞，此時可將針尖擊樣品表面造成針尖損壞，此時可將針尖安放在壓電陶瓷上，控制壓電陶瓷上電壓，安放在壓電陶瓷上，控制壓電陶瓷上電壓，使針尖在掃描中隨表面起伏上下移動，在使針尖在掃描中隨表面起伏上下移動，在掃描過程中保持隧道電流不變（即間距不掃描過程中保持隧道電流不變（即間距不變）壓電陶瓷上的電壓變化即反映了表面變）壓電陶瓷上的電壓變化即反映了表面的起伏。的起伏。.掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu) nI could not stop looking at the images. It was like entering a new world . Th

7、is appeared to me as the unsurpassable highlight of my scientific career and therefore ,in away, it is end. Heini realized my mood and whisked me away for some days to St.antonien, a Charming village high up in the Swiss mountains, where we wrote the paper on 7*7n-G,Binning古今之成大事業(yè)、大學(xué)問者，必經(jīng)過三種之境界n昨夜西風(fēng)

8、凋碧樹。獨上高樓望盡天涯路n衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴n眾里尋他千百度，募然回首，那人卻在燈火闌柵處原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM） nLateral Force Microscopynthe BakerClean JTB-1003 leaves a surface topography that is statistically indistinguishable from that of the initial wafer. nOn the other hand, the RCA-based Standard Clean not only increases the microroughness but also changes other topographical features