掃描隧道顯微鏡詳解演示文稿

掃描隧道顯微鏡詳解演示文稿本文檔共29頁；當前第1頁；編輯于星期日\15點14分優(yōu)選掃描隧道顯微鏡本文檔共29頁；當前第2頁；編輯于星期日\15點14分一、簡介1．從光學顯微鏡→電子顯微鏡→場離子顯微鏡→STM分辨200nm幾個nm?2．原理3．獨特優(yōu)點：Δ觀察表面形貌達原子分辨Δ無需任何透鏡，不存在象差

Δ可在各種條件下測量：真空、大氣、水、油及液氮中

Δ廣泛的應用：形貌、表面電位、電子態(tài)分布原子力顯微鏡及原子探針顯微鏡納米技術、表面微細加工、搬動原子

1986年獲諾貝爾物理獎(G.BinnigandH.Rohrer)本文檔共29頁；當前第3頁；編輯于星期日\15點14分二、基本原理1．隧道電流隧道結電流密度（對兩平行金屬）

s：有效隧道距離VT：所加電壓ko：ko=

φ：有效勢壘高度

φ＝1/2(φ1+φ2)eV對于真空是幾個電子伏對氧化物小于1電子伏

本文檔共29頁；當前第4頁；編輯于星期日\15點14分I-s有指數關系：I∝exp[-2kos]隧道電流在10－9－10－6A量級當s增加Δs時：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]設Δs=1?，ko≈1?－1(φ～5eV)則exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：當s增加1?時，I將減少一個數量級。本文檔共29頁；當前第5頁；編輯于星期日\15點14分2．工作模式△恒高模式用隧道電流的大小來調制顯象管的亮度△恒電流模式用電子學反饋的方法控制針尖與樣品間距離不變(保持隧道電流不變)，用反饋調制電壓控制顯象管亮度或畫出表面形貌三維圖象。本文檔共29頁；當前第6頁；編輯于星期日\15點14分精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常數兩邊微分ΔI/I=-2koΔs若保持隧道電流I不變ΔI/I在±2％之內（電路控制可達精度）設ko≈1?

－1，則Δs≈0.01?表明：針尖至表面距離的控制精度可達0.01?本文檔共29頁；當前第7頁；編輯于星期日\15點14分三、掃描隧道顯微鏡的結構

1.技術關鍵

△微小距離的移動及控制－壓電陶瓷位移靈敏度在5?/V量級STM針尖半徑R3-10?針尖與表面距離2-5?△防震本文檔共29頁；當前第8頁；編輯于星期日\15點14分2.結構三維控制的壓電陶瓷：Px和Py上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿表面作光柵掃描。利用隧道結電流I反饋，控制加于Pz上的電壓來控制s，以保持I不變。如s↗→I↘→Pz上的電壓↗→Pz伸長→s↘。VPz(VPx,VPy)曲線為樣品表面三維輪廓線。本文檔共29頁；當前第9頁；編輯于星期日\15點14分△XYZ位移器（樣品位置細調〕微小距離移動的精確控制△樣品粗調使針尖與表面的距離，從光學可覺察的距離(10-100μm)調整到100?量級－Louse結構－精細螺旋機構△防震系統(tǒng)分析－使由振動引起的隧道距離變化0.001nm(振動：針對重復性、連續(xù)的，通常頻率在1－100Hz)本文檔共29頁；當前第10頁；編輯于星期日\15點14分四、掃描隧道顯微鏡的應用1．表面形貌測量及其分辨率假設樣品表面存在陡變臺階，由于針尖半徑R有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過渡區(qū)δ。δ與R、s和ko有如下近似關系：

R：針尖半徑S：針尖至表面距離

若R=3?,s=2?,ko=1?

-1則δ≈1.6?(分辨率)只有在表面各處逸出功相同時，針尖在z方向的位移才表示樣品外形的起伏。Ko=φ=(1/2)(φ1+φ2)本文檔共29頁；當前第11頁；編輯于星期日\15點14分2．逸出功的測量由I∝exp[-2kos]ΔI/I=-2koΔsΔI/Δs=2Iko若I保持不變則：dI/ds∝ko∝φ1/2

工作方式：掃描中保持I不變，使s有一交流調制，dI/ds隨x,y變化。dI/ds(x,y)平方后即為逸出功象。3．掃描隧道譜(STS)在表面的某個位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針尖在X、Y平面掃描，測dI/dV隨x,y的變化，得掃描隧道譜象。表面的電子性質和化學性質表現在I-V和dI/dV－V曲線中。本文檔共29頁；當前第12頁；編輯于星期日\15點14分應用舉例：Si(111)面的7×7結構STM△水平分辨率:0.1nm縱向分辨率:0.001nm△信息中包含有形貌特性、逸出功及電子態(tài)分布采用特殊的工作模式,可把后兩者信息提取出來?！鲗τ诜菍w或針尖有沾污的情況，不能進行正確的測量本文檔共29頁；當前第13頁；編輯于星期日\15點14分五、原子力顯微鏡(AFM)

AtomicForceMicroscope

1．特點：△能測量絕緣體的表面形貌(STM不能)△測量表面原子間的力測量彈性、塑性、硬度等本文檔共29頁；當前第14頁；編輯于星期日\15點14分2．AFM的結構及工作原理

微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。針尖與表面輕輕接觸(斥力:10－8－10－6N)。樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定(樣品與針尖間距離不變)。測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而獲得樣品形貌信息。利用了原子間的力

關鍵技術：微懸臂及其位移檢測本文檔共29頁；當前第15頁；編輯于星期日\15點14分3.結構及關鍵技術（振動隔離及樣品移動等與STM相同）

（1）AFM微懸臂位移的檢測方法要求：有納米量級的檢測靈敏度測量對懸臂產生的作用力小到可忽略方法：

隧道電流法（用STM）光學檢測法:干涉法光束反射法電容檢測法本文檔共29頁；當前第16頁；編輯于星期日\15點14分隧道電流法（用STM）本文檔共29頁；當前第17頁；編輯于星期日\15點14分光束反射法本文檔共29頁；當前第18頁；編輯于星期日\15點14分本文檔共29頁；當前第19頁；編輯于星期日\15點14分本文檔共29頁；當前第20頁；編輯于星期日\15點14分本文檔共29頁；當前第21頁；編輯于星期日\15點14分(2)力傳感器(微懸臂和針尖)△低的力彈性常數△高的力學共振頻率△高的橫向剛性△短的懸臂長度△帶有鏡子或電極△盡可能尖的尖端本文檔共29頁；當前第22頁；編輯于星期日\15點14分利用彈性元件形變F=kΔz(虎克定理)F很小，k和Δz也必須小。但k小不符合剛性原則，因此在降低k的同時，也要減小M。

例:微杠桿由25μm金箔作成，重量10－10kgfd=2kHzk=2×10-2N/m因STM測的Δz可小至10－3－10－5nm則有：F=kΔz=2×(10－14－10－16)N本文檔共29頁；當前第23頁；編輯于星期日\15點14分本文檔共29頁；當前第24頁；編輯于星期日\15點14分本文檔共29頁；當前第25頁；編輯于星期日\1