STM的背景知識(shí)1

1、一、STM的背景知識(shí) 自從1933年德國科學(xué)家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺(tái)電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、場(chǎng)離子顯微鏡(FEM)等。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)存在這樣或那樣的局限性。 1982年，IBM(國際商業(yè)機(jī)器)公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的葛賓尼(Gerd Binnig)博士和海羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡(jiǎn)稱STM)。1、STM的產(chǎn)生背景一、STM的背景

2、知識(shí)使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。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和廣闊的前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的發(fā)明者 和 被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2、STM的出現(xiàn)的意義葛賓尼(Gerd Binning) 賓尼 海羅雷爾(Heinrich Rohrer)羅雷爾一、STM的背景知識(shí)具有原子級(jí)高分辨率。可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象?？捎^察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)?？稍谡婵铡⒋髿?、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測(cè)過程對(duì)樣品無損傷。配合掃描隧道

3、譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。3、STM的優(yōu)點(diǎn)一、STM的背景知識(shí)在STM的恒流工作模式下，有時(shí)它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差。STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。賓尼等人1986年研制作成功的AFM彌補(bǔ)了STM這方面的不足。后來又陸續(xù)發(fā)展了一系列的掃描探針顯微鏡，如磁力顯微鏡(MFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、掃描熱顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。 4、STM本身存在著的局限性二、STM的實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)；觀測(cè)和驗(yàn)證量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)

4、；學(xué)習(xí)掌握掃描隧道顯微鏡的操作和調(diào)試過程，并以之來觀察樣品的表面形貌；學(xué)習(xí)用計(jì)算機(jī)軟件處理原始數(shù)據(jù)圖象；學(xué)會(huì)分析表面的原子形貌和表面結(jié)構(gòu)。三、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一粒子的動(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，粒子可以穿過比它的能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。1、隧道效應(yīng)三、STM的基本原理 根據(jù)量子力學(xué)的波動(dòng)理論，粒子穿過勢(shì)壘的透射系數(shù)由式中可見，透射系數(shù)T與勢(shì)壘寬度a、能量差（V0-E）以及粒子的質(zhì)量

5、m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減。三、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡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時(shí)(通常小于 1 nm)，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，其大小為： 式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，是平均功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于 12、隧道電流三、STM的基本原理 由前式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(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

6、起伏變化的信息。 視頻解說四、STM的基本結(jié)構(gòu) STM 儀器由具有減振系統(tǒng)的STM 頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D 多功能卡的計(jì)算機(jī)組成。整體結(jié)構(gòu)四、STM的基本結(jié)構(gòu)針尖針尖 隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測(cè)定的電子態(tài)。 目前制備針尖的方法主要有電化學(xué)腐蝕法(金屬鎢絲)、機(jī)械成型法(鉑-銥合金絲)等。 鉑-銥合金絲 金屬鎢絲重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)壓電陶瓷壓電陶瓷 由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍

7、使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。 壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)三維掃描控制器三維掃描控制器 單管型掃描控制器：陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會(huì)伸展或收縮。重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)減震系統(tǒng) 由于儀器工作時(shí)針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時(shí)隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動(dòng)都會(huì)對(duì)儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動(dòng)是震動(dòng)和沖擊，其中震動(dòng)隔絕是最主要的。 重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)電子學(xué)控制

8、系統(tǒng)電子學(xué)控制系統(tǒng) 掃描隧道顯微鏡要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學(xué)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。重要部件五、STM的工作模式恒流模式 利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面 x-y 方向掃描，而 z 方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，這樣探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。五、STM的工作模式恒高模式 針尖的 x-y 方向仍起著掃描的作用，而 z 方向則保持絕

9、對(duì)高度不變，由于針尖與樣品表面的相對(duì)高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。五、STM的工作模式其他工作模式：1、I(Z)譜測(cè)量：通過改變針尖的高度得到的一系列的隧道電流而形成的曲線。I(Z)譜可檢測(cè)針尖的質(zhì)量。2、I(V)譜測(cè)量：斷開反饋回路，固定針尖位置，通過一系列不同的偏壓下得到的隧道電流而形成的曲線。3、勢(shì)壘高度圖象：對(duì)針尖Z方向的壓電管加一交流電壓從而調(diào)制針尖與樣品的距離，可根據(jù)調(diào)制的信號(hào)得到dI/dZ在表面形成的圖象。該圖象提供了樣品表面的微觀功函數(shù)的空間分布。4、電子態(tài)密度圖象：在掃描過程中，偏壓V以dU調(diào)

10、制，從而得到調(diào)制后的隧道電流dI，這樣dI/dV在表面形成的圖象就反應(yīng)了樣品表面的電子態(tài)密度分布。六、STM的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容金膜表面的原子團(tuán)簇圖像掃描金膜表面的原子團(tuán)簇圖像掃描：STM圖像反映的是表面局域態(tài)密度的形貌，這些形貌正好反映了表面勢(shì)壘的形狀，表面勢(shì)壘的形狀與表面原子位置密切相關(guān)。因此，STM圖像直接反映了金屬表面的幾何結(jié)構(gòu)。由于顆粒比較大，所以避免采用恒高模式，而用恒流模式進(jìn)行掃描。六、STM的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高序石墨原子高序石墨原子(HOPG)圖像的掃描圖像的掃描：掃描隧道顯微鏡掃描原子圖像時(shí)，通常選用石墨作為標(biāo)準(zhǔn)樣品。石墨中的原子排列成層狀，而每一層的原子則呈六邊形周期排列，由于石墨表面比較平

11、整，而且原子高度一般不超過1nm，為了更高速度和更高質(zhì)量的掃描，我們使用恒高掃描模式。七、實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備針尖和樣品手動(dòng)逼近樣品和針尖，使之距離約為1mm；切忌使針尖與樣品發(fā)生相撞；設(shè)置參數(shù)：“隧道電流”置為 0.250.3nA；“針尖偏壓”置為 100200mV；軟件控制馬達(dá)，使針尖自動(dòng)逼近進(jìn)入隧道區(qū)；根據(jù)不同的樣品設(shè)置不同的掃描范圍(金膜一般取700900nm，石墨一般取515nm)；七、實(shí)驗(yàn)步驟根據(jù)不同的模式設(shè)置不同的掃描速度(恒流模式一般要較慢掃描，恒高模式可較快掃描)，然后開始掃描。得到掃描圖像后，可進(jìn)行一定的圖像處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，一定要先使用軟件控制馬達(dá)自動(dòng)退達(dá)1000步以上。關(guān)閉系統(tǒng)

12、八、結(jié)果分析觀察得到圖像的原子(或原子團(tuán)簇)的半徑以及以及粒子高度；表面是否有什么異常的現(xiàn)象，對(duì)石墨表面的原子圖像還可觀察原子排列情況，觀察是否有六邊形排列情況；觀察圖像的質(zhì)量，分析導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因；平面形貌和三維處理圖像進(jìn)行對(duì)比、分析。八、結(jié)果分析八、結(jié)果分析九、影響圖像質(zhì)量的因素影響儀器分辨率和圖像質(zhì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：對(duì)針尖的要求：具有高的彎曲共振頻率 、針尖的尖端很尖(最好尖端只有一個(gè)原子)、針尖的化學(xué)純度高；壓電陶瓷的精度要足夠高；減震系統(tǒng)的減震效果要好，可采用各種減震系統(tǒng)的綜合使用；電子學(xué)控制系統(tǒng)的采集和反饋速度和質(zhì)量；樣品的導(dǎo)電性對(duì)圖像也有一定的影響。各種參數(shù)的選擇要合適。十、STM基礎(chǔ)上發(fā)展起的SPM原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM) 利用一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂，其末端有一微小的針尖，由于針 尖尖端原子與樣品表面 原子間存在極微弱的排 斥力，通過掃描時(shí)控制 這種力的恒定，同時(shí)利 用光學(xué)檢測(cè)法可以測(cè)得 微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn) 的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。 十、STM基礎(chǔ)上發(fā)展起的SPM磁力顯微鏡磁力顯微鏡( (MFM)MFM)摩擦力摩擦力顯微鏡（顯微鏡（LFMLFM） 靜電力顯微鏡靜電力顯微鏡( (EFM)EFM)彈道電子發(fā)射顯微術(shù)（彈道電子發(fā)射顯微術(shù)（BEEMBEEM） 掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICMSICM） 掃