第四章3 納米科技

1982年賓尼和羅雷爾發(fā)明成功掃描隧道顯微鏡（Scaningtunnelingmicroscopy，STM）。STM不但空間分辨率高（橫向0.1nm，縱向0.01nm），成為揭示原子、分子尺度的觀察手段，而且是在納米尺度上對表面進行改性和排布原子的工具。一、掃描隧道顯微鏡（STM）錄像：納米科技與STM掃描隧道顯微鏡的工作原理基于量子隧道效應。由于電子具有波粒二象性，遵從量子力學運動規(guī)律，在其總能量低于勢壘壁高時，也有一定的概率穿透勢壘，在探針和試樣表面間形成隧道電流。1、STM的工作原理和基本結構一、掃描隧道顯微鏡（STM）隧道電流的大小對于探針和試樣表面的距離非常敏感，通過電子反饋電路使隧道電流保持恒定，并采用壓電陶瓷材料控制探針沿試樣表面掃描，這樣探針在垂直于試樣表面方向上的高低的變化就反應出試樣表面的形貌分布和原子排列的圖像。1、STM的工作原理和基本結構一、掃描隧道顯微鏡（STM）

STM的基本結構包括：①探針與試樣表面的逼近裝置；②保持隧道電流恒定的電子反饋電路；③顯示探針在z方向位置變化的顯示器；④操縱探針沿試樣表面x方向和y方向運動的壓電陶瓷掃描控制器及位置顯示器；⑤數據采集系統和圖像處理系統。1、STM的工作原理和基本結構一、掃描隧道顯微鏡（STM）2、STM的主要應用和優(yōu)、缺點一、掃描隧道顯微鏡（STM）

STM有原子量級的極高分辨率，其垂直和平行于表面方向的分辨率分別為0.01nm和0.1nm，能夠分辨出單個原子；

STM能夠實時地給出表面的三維圖像，可以測量具有周期性或不具備周期性的表面結構；

STM可在不同環(huán)境條件下工作，包括真空、大氣、低溫，甚至將試樣浸在水中或電解液中，所以非常適用于研究環(huán)境因素對試樣表面的影響；2、STM的主要應用和優(yōu)、缺點一、掃描隧道顯微鏡（STM）缺點：由于STM是通過隧道電流的作用而設計的，因此這種儀器僅能用于導體和半導體的表面形貌量測，對于非導體來說就必須給試樣鍍上導電膜，這就掩蓋了試樣表面的真實性，降低了STM的精確度；即使導電體材料的試樣，當表面存在非單一電子態(tài)時，掃描隧道顯微鏡觀察的并不是真實的表面形貌圖像，而是表面形貌和表面電子性能的綜合表現。二、原子力顯微鏡（AFM）1、工作原理和基本結構針尖裝在一個對微弱力非常敏感的“微懸臂”上，使探針的針尖與試樣表面僅有輕微的接觸，通過與試樣相連的X、Y壓電陶瓷，控制試樣（或探針）在X、Y方向掃描運動，使探針在試樣表面上的相對位置改變。二、原子力顯微鏡（AFM）1、工作原理和基本結構由于試樣表面的高低變化，使微懸臂自由端上的針尖也將隨之有上下的運動，通過激光束可檢測出微懸臂自由端在試樣表面垂直方向的變形和位移情況，從而得到試樣表面的形貌圖像。二、原子力顯微鏡（AFM）1、工作原理和基本結構同時，根據微懸臂的彈簧剛度實現對探針尖端原子與試樣表面原子之間作用力的測量。二、原子力顯微鏡（AFM）1、工作原理和基本結構

AFM的結構包括：①裝有探針的力敏元件；②力敏元件的位移或變形的檢測裝置；③電子反饋電路；④壓電陶瓷掃描控制器；⑤圖像處理和顯示系統。由微懸臂和探針組成的力敏元件是儀器的核心。二、原子力顯微鏡（AFM）2、分類根據測量微懸臂受力時彎曲位移方法的不同，通常采用隧道電流法、電容法和光學法三種：1）隧道電流法：隧道電流法基本上與STM類似，靈敏度可達到納米級，但當微懸臂上產生隧道電流的部位被污染后將降低測量精度。二、原子力顯微鏡（AFM）2、分類根據測量微懸臂受力時彎曲位移方法的不同，通常采用隧道電流法、電容法和光學法三種：2）電容檢測方法：將微懸臂與電容極板相連，微懸臂產生的位移變化使電容器極間距離變化，從而改變電容值，測出電容值的改變即可測出微懸臂納米級的位移量。二、原子力顯微鏡（AFM）2、分類根據測量微懸臂受力時彎曲位移方法的不同，通常采用隧道電流法、電容法和光學法三種：3）光學檢測法：利用光干涉法和激光束反射法，使光束射到微懸臂的背面，當針尖與試樣表面產生了位移和變形時，反射光必然要偏轉，就可以測出微懸臂的位移和形變。二、原子力顯微鏡（AFM）2、分類3）光學檢測法：利用光干涉法和激光束反射法，使光束射到微懸臂的背面，當針尖與試樣表面產生了位移和變形時，反射光必然要偏轉，就可以測出微懸臂的位移和形變。二、原子力顯微鏡（AFM）3、主要應用

AFM的應用范圍可以是導體、半導體也可以是細胞生物等樣品；

AFM還能夠探測樣品表面的納米機械性質和其它的表面力，如樣品的定域粘附力或彈力等；二、原子力顯微鏡（AFM）3、主要應用

微觀粘附性對許多物質有影響，如油漆、膠水、陶瓷和復合材料等等，及DNA的復制和藥物在人體中的作用。彈力性質也很重要，無論是一般材料、復合材料，甚至人體血球、細胞體系等，測量AFM探針尖在接近和離開表面過程中作用力大小，恰好為在納米尺度上研究這些重要參數提供了新的工具；二、原子力顯微鏡（AFM）3、主要應用

AFM微懸臂固定端垂直接近樣品，之后又離開樣品表面的過程中，微懸臂自由端形變的情況如圖。據此可以提供表面上方電磁場的詳細信息和樣品表面粘彈性方面的信息。二、原子力顯微鏡（AFM）3、主要應用三、近場光學顯微鏡（NSOM）近場光學顯微鏡（又稱掃描近場光學顯微鏡——Nera-fieldscanningopticalMicroscopy-NSOM）是與掃描隧道顯微鏡同時發(fā)展起來的超高分辨率的觀察手段。這兩種高空間分辨率技術的基本原理很相似，STM是基于隧道電子的探測，而近場光學顯微鏡是探測隧道光子。三、近場光學顯微鏡（NSOM）由于光子具有一些特殊的性質，如：沒有質量、電中性、波長比電子波要長、容易改變偏振特性，可以在空氣及許多介電材料中傳播等，NSOM在納米尺度的光學觀察上起到STM、AFM所不能取代的作用。

三、近場光學顯微鏡（NSOM）由于光波的衍射效應，傳統光學顯微鏡的分辨率不能超過光波長的一半。迄今為止，光學顯微鏡的觀察距離均于>>λ的位置。然而任一材料的表面都存在一種“依附”于表面，強度隨離表面距離的增加而迅速衰減、不能單獨在自由空間存在的隱失波（evanescentwave）。1、近場光學基本原理和近場光學顯微鏡三、近場光學顯微鏡（NSOM）由隱失波構成的非傳播場又稱非輻射場，其特點是可沿表面（x-y）方向傳播，而在垂直于表面方向（z方向）迅速消失，并以光的頻率振蕩。在非輻射場內包含有物質結構的細節(jié)（<<λ）信息，且用常規(guī)光學觀察方法在遠離（<<λ）表面處觀察不到。在光的傳播中存在著衍射過程，此時傳播波和隱失波是共存的，只不過隱失波沿Z方向衰減的很快。1、近場光學基本原理和近場光學顯微鏡三、近場光學顯微鏡（NSOM）要克服衍射極限就要探測非輻射場，即把探