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毕业设计题目扫描隧道显微镜(STM)学生姓名学号院系物理与电子信息工程系专业应用物理指导教师二0一一年四月二十九日1目录一.摘要与关键词2二.引言2三.STM的工作原理3四.STM的工作模式4五.基于STM分析石墨样品表面图像5六.基于STM测量石墨原子的大小9七.结论102扫描隧道显微镜(STM)一.摘要与关键字摘要扫描隧道显微镜STM的工作原理是基于量子力学的隧道效应,它的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。本文中我们可以通过STM对石墨样品进行扫描,初步分析石墨样品的表面微观结构,验证石墨表层六角环形结构,为进一步研究石墨烯打好基础。关键字扫描隧道显微镜,隧道效应,六角环形结构,石墨烯。ScanningTunnellingMicroscope(STM)AbstractTheworkingprincipleofScanningTunnellingMicroscopeisbasedonTunnelingeffectinquantummechanics。TheemergenceofSTMprovideshumanbeingsaveryimportantnewtooltounderstandandtransformthemicroscopicworld.二.引言1982年,IBM瑞士苏黎士实验室研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(ScanningTunnellingMicroscope,简称STM).STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景,被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一.我们知道,常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。而石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还可以用来制造太空电梯缆线。另外,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。众所周知,高频电路是现代电子工业的领头羊,一些电子设备,例如手机,由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频率越高,热量损耗也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。并且,由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%80%的电能,而石墨烯则不同,它的电子3能量不会被损耗。因此,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。本文主要通过STM初步研究石墨样品的表面微观结构,为进一步研究石墨烯的微观结构打好基础。三.STM的工作原理微观粒子运动规律遵从量子力学原理,由于微观粒子具有波粒二象性。其运动特征有别于经典粒子,如具有一定能量E的粒子沿x轴正方向射向势垒0000,UxaUxxxa1式中a为势垒的宽度U0是势垒的高度。按照经典力学的观点,若0VE,则粒子不能进入势垒,将被弹回去若0VE,则粒子将穿过势垒但从量子力学观点来看,考虑到粒子的波动性此问题与波碰到一层厚度为a的介质相似,即有一部分波透过,一部分波被反弹回去。因此,按照波函数的统计诠释,无论粒子能量0VE,或0VE,都有一定概率穿透势垒,也有一定概率被反射回去。考虑0VE情况,在势垒外能量本征方程表示方程为222d20dEx(0x,xa)2它的两个线性无关解可取为ikxex,/2Ek,能级为二重简并,但我们可以根据入射边条件来定解。以下假设粒子是从左入射。由于势垒的存在,在0x区域中,既有入射波ikxe,也有反射波Rikxe,即ikxikxexRe而在ax区域中则只有透射波Sikxe,即ikxSex。在势垒内部能量本征方程为2022d20dUEx(0xa)3其通解可取为xxBeAex,/20EV。联立各式可解得222222222224kashkashkR,44achkashkkS2222222222445可以看出122RS6其中2R表示粒子被势垒反弹回去的概率,2S表示粒子透过势垒的概率。式(6)正是概率守恒的表现。由此证明,即使0VE,在一般情况下,透射系数并不为零。这种粒子能穿透比它动能更高的势垒的现象,称为隧道效应。正是由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限于表面边界之内。即,电子密度并不在表面边界突然降为零,而是在表面以外呈指数衰减。衰减长度约为10。,它是电子逸出表面势垒的量度。如果探针和待测样品互相靠得很近,那么,它们表面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加一微小电压TV,那就可以观察到它们之间的电流TJ(隧道电流)。TJ∝eSATV7式中A为常数S为两金属间距离,为样品表面的平均势垒高度。如果S为1。为单位,则A1,的量级为eV,因此,当S变化1。时,TJ呈数量级变化,十分灵敏。这样,当探针在样品上扫描时,表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变化。依此,可以分辨表面上分立的原子,提示出表面上原子的台阶、平台和原子列阵,就可以直接得到三维的样品表面形貌图,这就是扫描隧道显微镜的工作原理。四.STM的工作模式1.恒流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流I,使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,由于要控制隧道电流I不变,针尖与样品表面之间局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着表面的高低起伏而作相同的起伏运动,高度的信息就由此反映出来。本文中我们采用恒流模式扫描石墨样品。优点可以适应样品表面的较大起伏,获取的图像信息全面,显微图像质量高。缺点当扫描器扫到某点时,即使隧道电流等于电流设定值,扫描器还是要等待一个固定的时间后再进行下一个点的扫描,导致扫描速度较慢扫到某点时,如果隧道电流不等于电流设定值,扫描器在等待一个固定时间后,不论隧道电流不等于电流设定值,扫描器在等待一个固定时间后,不论隧道电流值是否等于电流设定值便函进行下一点的扫描,使得该点数据为一虚假数据容易受低频信号的干扰。52.恒高模式探针以设定的高度扫描样品表面,由于表面的高低变化,导致针尖与表面之间的距离时大时小,隧道电流值也随之改变。即使表面只有原子尺度的起伏,也会导致隧道电流接近数量级的变化,这样就职可以通过测量电流值的变化来反映表面上原子尺度的起伏。优点无需进行反馈电路控制,所以可以实现对样品表面的快速扫描,能够捕捉到样品表面的一些动态变化。缺点扫描范围内的样品表面不能起伏太大,否则很容易造成样品或探针的损坏。五.基于STM的石墨图像分析1.阶梯扫描将扫描控制面板中扫描范围参数设置为最大,将显示范围设置为10nm左右一般为220nm其他参数无须设置保持默认值,然后进行阶梯扫描。扫描范围为500nm,显示范围为10nm。在阶梯扫描中注意高度曲线和高度图象的变化。在高度图象中,颜色的深浅变化代表样品表面的凸凹变化。颜色越亮样品表面就越突出,颜色越深表面越下凹。高度曲线下的变化已经很直观反映样品的平整度。结合高度曲线的图象进行操作,将扫描区域选定。图2图7为高序石墨分层台阶图象及其相关分析图。以下分析是对图2的剖析。从图中得出在高度图象中,颜色的深浅变化代表样品表面的凸凹变化。颜色越亮样品表面就越突出,颜色越深表面越下凹,其表面结构是具有分阶层的薄膜。1在图3中是对图象进行阶梯分析。在沿垂直于选取线图中和选定区域的两条黑线垂直的线的选定区域作高度平均,图象的亮暗变化反映样品表面的凸凹变化,图中选定的区域内又分为三个区域I、II、III,分别与图中右对应。图中右图是对左图选定区域的分析,右图纵坐标表示竖直高度,横坐标表示垂直于选取线的水平距离,中间黄色的线表示选定区域的高度平均参考线。图中红线是选定区域的平均线,其走势反映选定区域的情况,红线在平均参6考线以下的表示此区域在平均高度以下,反之在平均高度以上。从右图中红线的走势知道,区域I比区域II要低一些,区域II又比区域III要低一些。A点是平均参考线的平均线的交点,说明区域II的某一部分区域正好与平均参考线等高。说明图象向一边倾斜,导致这种结果被检测样品没有水平放置。选定区域的平均线走势说明薄膜整体从右下向左上倾斜。在红线中的B处比C处高,说明选定区域在此处有一个落差,反应图中左图的区域II中靠右方的颜色有较亮的bB部分凸的部分变到较暗的Cc部分凹的部分,这是一个落差。2在图4,图5中对图象进行横截面分析,在图象上分别用单线和双线来任意截取一个截面。在这两个图中右边上图的横坐标表示水平距离,纵坐标表示竖直高度,中间黄色的线表示高度平均参考线。截线是任意截取的线,即任意截取切口的轮廓线,看起来是直线,切口的真实情况不是直线。如图4中右图上图所示,其走势反映切口的情况,向右上方倾斜,切口截面不是直线,而是一条曲折的线,在A处到B处存在一个较大的落差,在图上表现为A处的颜色比B处的颜色较亮些。图中右图下图是在一定周期下截取截面切口的线落差大小在功率谱图上的表现,落差大,其功率也大。图5是双线分析,任意截取的两个切口是不一样的。参照图4的分析便不难理解其意思了。3在图6中是对图象进行深度分析。把阀值最高峰设为50,即设置一阀值计算最高峰的质心,峰上高于此阀值的点参与计算,滤波截止波长因子设为0.1000nm,在先定的区域内得出峰峰距为0.1360nm,,峰数量为117,最高峰深度为4.2393nm。在图中右图从左至右反映出选定区域从右至左的情况,上图的横坐标表示水平距离,上图纵坐标表示允许通过的最高峰的百分数,下图纵坐标表示峰值的竖直高度。上图说明在选定区域里各最高峰峰数的情况,下图说明在选定区域里峰值的竖直高度及分布情况。移动区域,以上参数均相应改变。通过参数的大小就能够判断出选定区域的平整度。74在图7中是对所扫描得的图象在三维视角下,移动大圆圈中的小方框旋转一定的角度,再移动小圆圈改变亮度所得的图象,对比原图图中右图下图就很直观的反映出该薄膜是分层的,表面并非是光滑的。2.原子扫描选定扫描区域后,进行参数调节。将扫描范围设置为10nm左右,同时调节显示范围、扫描速率、比例增益、积分增益,至有清晰的原子图像出现。若无清晰的原子图像出现,调节扫描速率和旋转角度,旋转角度时一般以15度一个阶梯进行角度旋转,注意图像的变化,有清晰图象出现即可。图8图13为高序石墨原子图象及其相关分析。以下分析是对图8的剖析。得出在高度图象中,颜色的深浅变化代表样品表面的凸凹变化。颜色越亮样品表面就越突出,颜色越深表面越下凹。从图中可以清楚看出高序石墨原子的每个原子被六个原子均匀包围成六角环形半层结构,如图中标明处就很清楚的看出。1在图9中对图象进行阶梯分析。在沿垂直于选取线图中和选定区域的两条黑线垂直的线的选定区域作高度平均,图象的亮暗变化反映样品表面的凸凹变化,图中选定的区域内又分为三个区域I、II、III,分别与图中右对应。图中右图是对左图选定区域的分析,右图纵坐标表示竖直高度,横坐标表示垂直于选取线的水平距离,中间黄色的线表示选定区域的高度平均参考线。图中红线是选定区域的平均线,其走势反映选定区域的情况,红线在平均参考线以下的表示此区域在平均高度以下,反之在平均高度以上。从右图中红线的走势知道,区域I比区域II要高一些,区域II又比区域III要高一些。说明图象向一边倾斜,导致这种结果被8检测样品没有水平放置。选定区域的平均线走势说明薄膜整体从左上向右下倾斜,原子排列有序,每个波峰对应着一排原子。2以图10,图11中是对图象进行横截面分析。在图象上分别用单线和双线来任意截取一个截面。右边这两个图中右边上图的横坐标表示水平距离,纵坐标表示竖直高度,中间黄色的线表示高度平均参考线。截线是任意截取的线,即任意截取切口的轮廓线,看起来是直线,切口的真实情况不是直线。如图10中右图上图所示,其走势反映切口的情况,向右上方倾斜,切口截面不是直线,而是一条曲折的线。图中右图下图是在一定周期下截取截面切口的线落差大小在功率谱图上的表现,落差大,其功率也大。图11是双线分析,任意截取的两个切口是不一样的。参照图10的分析便不难理解其意思了。对比图4图5知道图中右图上图的线落差大而且平凡,总体呈正弦曲线,只是总体向右上方攀升,每一个大的波峰对应着一个原子。3图12中是对图象进行深度分析。设置阀值最高峰为50,即设置一阀值计算最高峰的质心,峰上高于此阀值的点参与计算,滤波截止波长因子为0.0100nm在选定区域内分析得出峰峰距为0.0212nm,峰数量为66,最高峰深度为0.1885nm。在图中右图从左至右反映出选定区域从右至左的情况,上图的横坐标表示水平距离,上图纵坐标表示允许通过的最高峰的百分数,下图纵坐标表示峰值的竖直高度。上图说明在选定区域里各最高峰峰数的情况,下图说明在选定区域里峰值的竖直高度及分布情况。移动区域或者改变区域大小,以上参数均相应发生改变。通过参数的大小能够判断被测样品的平整度。图124在图13中是对所扫描得的图象在三维视角下,移动大圆圈中的方框旋转一定的角度,移动圆圈中的小圆圈改变亮度所得的图象。对比原图图中右图下图,从图中标明处对照就很
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