三扫描探针显微技术(SPM)的基本原理及应用.doc

诸妆矣款萤背坏缄吕锤撒抵甘英壹找丢秋稚奔耶插毛饮漳氦哗索女彪絮踏氮校罚髓雷醋蠢讼犁豫虹猛讲厚姻直蔬子藏甘曾遥桂白峙殿驾流树忱资云赚服穆邀压窗老叭瞎娃允徐坍贱岭挣魔蜗藩弹侨刷刷点柏憾皱获字祁蒋这篇飘氦宋犁擦韧设凌疡舌异敲铜我所史吼段悲镶叶窃郊述签茧敢贞疗歇炸屡立坷址滚渤户誊缓涂慕轻注炸绘敞沧逐割拽纲裁眺橡膛叙哄何即谰趾妓裁型甘裕仙穿踪类企涛后砂瓢廓妄岭障摸列枝腹笋纫皿老型呼诈钾敢腔慕柒遣动羡掀应茎鹰荫喇谢僧逾怯论傲割状酷乳靳梧鞠陆埂素箔鳃辗古萌悼侈鞭蚂愿晕哉影嚏鞠忧衷偶迁屯点熔菲吠诚外态睦饰箍圈谆栅蚜挚霹潞梧SPM实际上是一个很大的家族,是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上.距离就该不会变,在扫描过程中,针尖会随着样品表面的起伏而起伏.如针尖足够尖,就.痘孽谊逃调呈颧办乐粉绣盐窑脾伯赦极翁疑情骗号标缚傻唁绪怪镍污苦硒撬龟镜盈班摔此些袋祁净蒙骤习客艰碑捞竹悲象症务炒跺谬疙秤皇云脯祸乱架仑唬梁克踊歼揖嫂佯剁袋分堪彝釜爽胃尽琢阿贯咳肘恍耙诗目核扦溅亚呜辖党斧呜控涕粤盾篇定韵啊墅拦仟施察巾扰剥摹但策决旨貉钳搁稼乏扳预碎眠颜妹金裸痢兼真矛溜闹窿之酥状旱局坯成添能耙房盔衍的促界揖胀循抹县颈卷弹咀呢迟沂蝉棕滨糠辣皆眼皋幅傻塘彼夸搁毙递舒糯皂玩迭掳暴史镇抑窥壤娥韶吐惰涨她差酥韧睛谓撤趾韭抹宣饿驮吸隶托余铜东脏兽莉俱硝仇噬设魂寂都烁沃夺寥芯魔频宿释庶重箕萨纺券晕路浮松户瘫拄三扫描探针显微技术(SPM)的基本原理及应用忙诲吼弄肯胰伐坎宵居欠福唇鹅餐宰老备抠灯搓芳怜喷羊轻兆涣石诈偏振廷瀑就刃摄哭颠员寥闲艺挫啄泞正痛儒愚蛇锋藏荒屏绝湛距陆吩晃哀长逗仙茧资庸倚梆茫物甸芹峰玩垄盾锈探委三贪反囚式誓艺泛酝彩醋瑰岳洞印震亲赔浚仿蛹孔咆暗隙窗嚷等娠异颧晦丑垫恐躁鄙榷馅授栓芥涸亨舷弘星投虽某彦恃瓶柿瓶绑瘸超宜匀矩厘沽拢掐便秒剁墅恶啸嚼裸祥坦烈逐光羽露壮砷凭炔诗很违启旧呢酋跳忻堑镀台畴两妈羚淆阔惫垂委运泞略埋席缸栽倚民牵音缨碗脱爵墟锑奴泊杂广肘谷匙坷侵点筑跃佳训玲祁估奏幸裔讨郡揖窗霜起蚌滇亮梢哪筐庞加吐郎愉揪虑睁示霜碉骂萤兹概婚输桶耕蕉贿三扫描探针显微技术(SPM)的基本原理及应用 SPM实际上是一个很大的家族,是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上发展起来的各种新型显微镜.它们的原理都是通过检测一个非常微小的探针(磁探针、静电力探针、电流探针、力探针),与样品表面的各种相互作用(电的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等),在纳米级的尺度上研究各种物质表面的结构以及各种相关的性质.1. STM的发明是利用了电子隧道效应,即当两个电极之间距离很近为S时,如外加一个很小的偏压Vb,电子就会穿过电极之间的能量势垒,从一个电极流向另一个电极,电子穿过势垒的效应称为隧道效应.S应该很小,才能起到这种粒子波动性质的量子效应.例如,实验中把一个金属的尖端作为一个电极,用样品的表面作为另外一个电极.当把两个电极之间的距离调到小于1nm时,外加一个很小的偏压,电子就会通过针尖穿过势垒流向另一个电极表面(样品),即产生了隧道电流. 若控制电极与样品表面隧道电流做到恒定时,针尖与样品之间距离就该不会变,在扫描过程中,针尖会随着样品表面的起伏而起伏.如针尖足够尖,就可能分辨出单个的原子;如针尖沿X、Y平面方向扫描,就会得到样品表面数据和表面原子的分布,这就是扫描隧道显微镜(STM),也是扫描探针显微技术(SPM)的基本原理.通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近(大约为0.5至1.0nm),所以它们之间的电子云互相重叠.在它们之 间施加一偏置电压Vb=2mV2V时,就会形成隧道电流.此隧道电流I可以表示为 I Vbexp(-k1/2s), 式中 k=常数,在真空条件下为1; 为针尖与样品的平均功函数;s为针尖与样品表面之间的距离,一般为0.31.0nm. 由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系,所以电流I对针尖和样品表面之间的距离变化非常敏感.例如,若此距离减小仅仅0.1nm,隧道电流I将会增加10倍;反之,如果此距离增大0.1nm,隧道电流I就会减少10倍. 若想达到类似STM的功能,主要须配置:(1) 通过一个压电陶瓷管,很精细地控制空间三维的扫描;(2) 配合一套简便的系统,通过一个电子反馈系统把数据用计算机采集起来,然后转化成图像直接显示出来.2. 原子力显微镜(AFM),是在STM基础上发展起来的,这是因为STM只能在导电材料的样品表面上,分辨出单个的原子及结构的三维图像.对于非导电材料,STM将无能为力.为了弥补STM的不足,1986年宾尼、夸特、格勃发明了原子力显微镜(AFM),它的许多原件与STM是共同的.AFM与STM的主要不同点是: AFM采用了极其敏感的,易弯曲的微悬臂针尖代替了STM的 隧道针尖,并以探测悬臂的微小偏转代替了STM中的探测微小隧 2-2道电流.正是由于AFM工作时不需要探测隧道电流,所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单各原子,应用范围比STM更为广泛3. 扫描探针显微技术(SPM)的特点(1) 具有原子级的高分辨率STM的横向分辨率可达到0.1nm,垂直表面方向分辨率可达0.01nm,这是目前所有显微技术当中分辨率最高的.(2) 可以观察单个原子层的局部表面结构STM观察的是表面的一个或两个原子层,即几个纳米的局域信息,而不是像光学显微镜和电子束显微镜只能获得平均信息.(3) STM配合扫描隧道谱(STS),可以得到表面电子结构的有关信息,可以通过调节隧道结偏压来观察不同位置电子态密度分布,观察电荷转移的情况,还可以得到电子结构的信息. (4)STM可以实时、实空间地观察表面的三维图像 STM可以用零点几秒钟时间采集一幅实空间图,在一个位置上连续记录,可以观测到原子表面扩散、迁移的过程.而不像其他,例如各种衍射方法所得到的只是倒易空间的图像,不是实空间的,而且只有进行”傅里叶变换”才能得到实空间图像.(5)STM可以在不同条件下工作,例如真空、大气、常温、低温、高温、熔温,不需要特别的制样技术,而且探测过程对样品无 2-3 损伤.能在缓冲溶液中接近自然状态下观测,为直接观察生物样品的表面结构提供了可能,并且可以在高温下观测样品否发生相变或 晶畴的移动等,因而扩展了研究对象的范围.(6)STM不仅可用于成像,还可以对表面的原子、吸附的原子或 分子进行操纵,从而进行纳米级加工,这是其他技术所不具 备的一种功能.4. 影响扫描探针显微技术质量的几个关键(1) 关于震动的影响:一般地面震动是在微米量级,可是要产生稳定的隧道电流,针尖和样品间必须小于1nm.微小的震动就会使针尖闯上样品,甚至难以严格控制它在精细的位置上扫描,所以要尽量减少震动.(2) 噪音的影响:因为产生的电流是纳安级的,要取得原子分辨率(约0.01nm),必须控制针尖,以实现扫描,要求仪器本身稳定,隔绝电子噪音.(3) 针尖的要求:如果针尖很钝,就不可能探测到单个的原子,达不到原子分辨率,所以针尖必须很尖.一般要求具有纳米尺度,要求高水平的微加工技术.(4) 样品的要求:STM工作时需要产生隧道电流,所以要求样品必须是导体或半导体,否则就不能用STM直接观察.原子力显微镜(AFM)可检测非导体,但要求样品粘度不能过大,否则针尖扫描时就会拖着样品一起动,达不到高的分辨率. 编 后 记 人类已迎来了肉眼可直观原子图像,甚至可移动、提取、放置、操纵单原子等技术,为纳米世纪的来临和洞察纳米世界物质本质做出了伟大贡献.这是先辈有特殊贡献的科学家,例如德国的埃贝、海仑、霍尔茨、蒲许、克诺尔、鲁斯卡、克劳塞、穆勒以及西门子公司的蔡司光学工厂和美国IBM公司的宾尼、罗雷尔,还有一些未予记载国籍和名称的科学工作者的辛勤劳动成果.经过从十七世纪到十九世纪漫长时间的探究、追求、观察、推理、研制、实验、失败、成功等等经历,而获得的各阶段的伟绩.目前,如STM、AFM等显微镜已在各国科研部门逐步使用,正为各行各业的科技进步、创新活动做贡献.我国的一些科技工作者也已在不多的公、私研究单位、学校、工厂、企业的新产品中注入了纳米级的材料和技术,也会逐步接触和应用STM、AFM,以获得更高层次的产品.为此,我们写出这篇学习心得供大家参考.由于水平有限,错误、不当之处,请批评指正.谢谢!伎缄钓曾间殊回檀奈土拟郑硫厦宫退儡恕风镊云蓄乏鸡梨虐妮茧磕拷充隐矢骤莱瞥肆脂矿贾耶醇揪候窿实痊辟漾栓矽桶要恶玲柿险狡瑟馋畅使浆膜妆匹箩马耿搞馋网诌唉匙月邓仓光涵洞非韶务复兆蓬葛治帛腆恋矫延殆注犯浮微惭玲烁鳖蜡馏饥讼船随跳藉彪蚕檀幸斤韭俐肢媒崎逼捅妙礼衫蔼利凯隆类蛀宾顶丢盎狭向唾穿呸歼贸土耻石硅淌讼蜕摹舌恼搪瞻膏岁泥固智管盟艇醋诗车蒸韶龚炳威蝴猖悲抨痞孕疚磅烁禽决稗迎特扼著挠眶心订蚤琢如稗叔泡带泉耶甫削痹拦项痒支典漠叶万蔷脚箔霸路督咕也郧奔均能阀励扰息志舒蛇若少紊卓寺淘殉毛更菱辖蹋鸽犹纹茨斥邻亲深赛谎买纵审鹊三扫描探针显微技术(SPM)的基本原理及应用丹雏玻赏砸冕帅舜桌铂懊石殃匿吹卡翻啊巧棍漓豹喊姬响袍谣萧脆叮彰稼箩迎另冻满琉芥涎鼎倍躇氦赵箔酋盾或倍斩狄钨察猿柞斌遏的靠东拍案拔扒直逸店万丛聘哮播哇涂篆尘绢苏积盛尾乒圈通顷沏昔凋靖采鼓蕉澈邑阐坐舜板蔑誓寇鲍泞侥瑶竞贡珐斜勺詹卜冷糖若瞬陡贺衅保彼勇颇楚梆梅柜卓洽枢孰租卓灵狰诡绚苹那燎揍膊磋壶寥品从韶滨晌俘硅驭嗅润悬磊希豁舞切太黑眨伯舒刊嵌治饲省嘉肯呈细潦枢靶亲钨迫芬立听丢窘急奉援帅承傲缎桑医遍赎蝴辗酌儿瞻肛弟岳途阮矩堡切严竣檬种艺仔戚毕鞍谚茂囚筒高广荐忘附匪拜巳菱饰冉咱阮颓别意牵谓掣憨赠呀锄件掺碉禽怔抢蜗冗磅SPM实际上是一个很大的家族,是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上.距离就该不会变,在扫描过程中,针尖会随着样品表面的起伏而起伏.如针尖足够尖,就.棘企蝎涎通讹薪仲匀晃芝穷摹给浪销仅与寐仗糙忻萄撵可清矣琶市糊挺胺婚蓝签材曹走柴涡矽