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扫描隧道显微镜 STM 姜传海上海交通大学材料科学与工程学院 一 概述1 STM特点2 基本原理二 STM仪器1 隔绝振动2 机械设计3 负反馈电路4 样品制备三 应用举例 一 概述材料的表面和界面结构与材料的许多性能有重要关系 研究表面结构对改进材料的性能和开发研制新材料有很大意义 但是 表面结构特别是原子水平上的表面结构信息是很难获得的 在过去几十年中 人们花了很大精力先后开发电子显微镜 场发射显微镜 场离子显微镜 扫描电镜和低能电子衍射等技术 可以探测一些表面结构信息 但这些工具都有较大的局限性 透射电镜只能在真空条件下观察极薄的样品 观察的是整体的结构投影 只有少数情况下可获得原子级分辨率的图像 场发射显微镜只能观察少数几种高熔点金属针尖的表面结构 分辨率只有几个纳米 场离子显微镜虽可达到原子级分辨率 但也只能在超高真空和高电场条件下观察少数几种高熔点金属针尖的表面结构 扫描电镜虽然较容易在真空条件下观察固体样品的表面形貌 但分辨率只能达到几十纳米 远远达不到原子级分辨 低能电子衍射虽然可以在超高真空条件下测得单晶表面原子级的结构 但低能电子衍射图提供的是倒易空间的结构信息 需要通过傅氏变换才能得到实空间结构 所得的只是表面平均结构而非局域的结构 而且由于电子在固体中的多重散射 使低能电子衍射的数据处理十分复杂 扫描隧道显微镜 STM 出现于1981年 是一种新型的研究表面结构的有力工具 它能够以原子级的分辨率观察表面的原子结构和电子行为 在表面科学 材料科学和生命科学中有着广阔的应用前景 1 STM特点STM具有的特点 1 具有原子级的分辨率 横向和纵向分辨率分别可达到0 1nm和0 01nm 可分辨单个原子 2 可实时地直接得到实空间中的表面三维图像 可研究具周期性或不具周期性的表面结构 配合隧道谱 STS 和功函数 可以得到表面电子结构的信息 甚至可直接观察到表面单个的键 3 可观察表面局域的原子结构或电子结构 而非平均性质 因而可直接观察到表面缺陷 表面重构 表面吸附物的形态和位置 以及由吸附引起的表面重构等 4 可以在真空 大气 常温 低温等不同环境下工作 还可以在液体环境下工作 制样技术比较简单 5 对样品表面的测量是非破坏的 因为针尖在距样品约lnm处扫描 偏压很小 隧道电流亦很小 因此对表面不造成损伤 2 基本原理STM工作的基础是量子力学中的隧道效应 根据经典力学 当电子的能量低于势垒时 是不能穿过势垒区域的 但根据量子力学 电子具有波动性 电子能够以一定几率穿过势垒 这就是所谓的隧道效应 例如 当一个金属针尖和一个导电样品很接近时 相距约lnm 尽管两者间仍是一很薄的绝缘层 有较高的势垒 但两者波函数已有一定程度的交叠 把针尖和样品作为两个电极 加上微小的电压 电子即可穿过其间的势垒产生所谓隧道电流 由于样品和针尖的电子波函数随离开表面的距离呈指数衰减 隧道电流对针尖和样品间的距离的变化十分敏感 STM就是利用针尖与样品间施加微小电压时隧道电流随它们的间距变化十分灵敏这一效应 用针尖在表面扫描 测量表面原子排列造成的微小起伏引起的隧道电流的变化 即可获得原子级分辨率的表面结构信息 图中针尖与样品间隔占约lnm 针尖与在X Y和Z三个方向上互成直角的三根压电陶瓷相连 电压改变时 压电陶瓷即伸长或收缩 其灵敏度或分辨率可达10 2nm 改变加在X和Y方向压电陶瓷的电压 针尖即可在XY平面上扫描 改变Z方向上的电压 针尖即可在纵向 Z方向 升降使针尖与样品间距离改变 STM的工作模式一般有恒流模式和恒高模式两种 见图 恒流模式是扫描 针尖X和Y位置变化 时随着表面的起伏不断调节Z方向压电陶瓷上的电压 使隧道电流维持不变 通过负反馈回路实现 记录下高度Z 与压电陶瓷电压关联 的变化与X和Y位置的关系 即可得到有关表面形貌变化的图像 恒流工作模式可用于起伏较大的表面 是最常用的模式 恒高模式则是在扫描时保持针尖的高度不变 间距S在变 观测隧道电流的变化与X和Y位置的关系 这也反映出表面形貌的变化 这种模式可以扫描较快 但对起伏较大的表面 扫描时针尖易与表面相碰使针尖损坏 二 STM仪器STM仪器为了实现原子级分辨率 需要解决诸如隔绝振动 机械设计 电路及样品制备中的一系列技术关键 1 隔绝振动STM探针与样品距离只有约lnm 间距变化10 2nm则隧道电流变化约一个数量级 极微小的振动都会对STM的测量产生严重的影响 因此STM仪器防振 减振要求很高 通常要求振动幅度小于l0 3nm 振动的隔绝可用磁阻尼 空气阻尼 弹簧和橡胶垫等 2 机械设计针尖驱动器和样品台设计要求刚性好 有高的共振频率 避免振动干扰 X Y Z的扫描微动精度要求很高 采用压电陶瓷施加适当电压来实现 可使针尖被驱动 也可使样品被驱动 Z方向的伸缩范围约 m 分辨率达10 3nm X Y方向的扫描范围至少 m 精度达10 2nm 为了能方便地换样品 换样品后能快速使针尖和样品接近而又不相互碰撞 需要粗调装置 粗调到Z压电陶瓷能用电压调节的区域 一般几十纳米 然后通过Z压电陶瓷细调到产生所需隧道电流的状态 约lnm 3 负反馈电路电子系统的主体是电流负反馈控制线路 在恒流模式下 隧道电流经前置放大器 再经对数放大器进行线性化 并与参考电流进行比较 其差值经过比例积分后 放大再加到Z压电陶瓷上以调整针尖与样品表面间距使隧道电流维持不变 4 样品制备在真空中进行金属 半导体的清洁或吸附表面的研究时 和其它表面技术一样有一些通用的处理方法 如真空劈裂 高温退火 离子溅射等 以获得清洁干净的表面 还可用高定向热解石墨 HOPG 及MoS2或单晶金作为载体 它们表面平整度很好 可以载负生物或有机分子进行研究 在空气中则多用这类载体 载负某些分子进行研究 三 应用举例图中给出在空气中由STM得到的石墨的表面图像 以及石墨的晶体结构 从晶体结构 可以区分出三种不同的位置 A位置表层有一个碳原子 下一层