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扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscope 2014 11 扫描隧道显微镜出现背景 1986年 STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 扫描隧道显微镜出现意义 目前具有原子分辨率的科学仪器主要有三种 透射电子显微镜 TEM 场离子显微镜 FIM 和STM TEM研究的是物体的体性质 FIM只能研究可制备成极细针尖的固体样品表面原子 STM利用电子在针尖和样品间的隧道效应产生的隧道电流 达到了原子分辨率 STM的出现使人类第一次能够在实空间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理 化学性质 如 1983年G Binning等人首次给出了Si 111 7x7重构表面的实空间原子像 STM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阔的前景 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 一 STM结构及工作原理 1 隧道效应和隧道电流扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理 通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置 那么什么是隧道效应 根据量子力学原理 由于粒子存在波动性 当一个粒子处在一个势垒之中时 粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零 这种现象称为隧道效应 一 STM结构及工作原理 由于隧道效应 金属中电子不完全局限于金属表面之内 电子云密度并不在表面边界处突变为零 金属表面外 电子云密度呈指数衰减 衰减长度约为1nm 用一个极细的 仅原子线度的金属针尖作为探针 将它与被研究物质 即样品 的表面作为两个电极 当样品表面与针尖非常靠近 距离 1nm 时 两者电子云略有重叠 一 STM结构及工作原理 一 STM结构及工作原理 一 STM结构及工作原理 2 STM的基本结构及工作原理与光学显微镜和电子显微镜不同 STM未采用光学或电子透镜成像 而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时 利用针尖 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起的隧道电流与间隙呈指数关系 获得原子级样品表面形貌特征图 一 STM结构及工作原理 压电陶瓷扫描器反馈调节器金属探针控制与显示系统 一 STM结构及工作原理 金属探针金属探针是STM技术中首要解决的问题之一 针尖的大小 形状和化学同一性不仅影响着图像的分辨率和表面的形貌 也影响着测定的电子形态 如果所制备的针尖的最尖端只有一个稳定的原子而不是多重针尖 毛刺 那么隧道电流就会很稳定 而且能够获得原子级分辨率的图像 此外 还要求针尖的化学纯度高 无氧化层覆盖 一 STM结构及工作原理 一 STM结构及工作原理 制备方法 电化学腐蚀法 聚焦离子束铣削法 机械成型法 电子束诱导化学气相沉积法 场致蒸发法 一 STM结构及工作原理 电化学腐蚀法多用钨丝作针尖 所得到针尖直径可小于100 以不锈钢或铂为阴极 以钨丝为阳极 安装在一个高度可调节测微仪上 两极间加4 12V电压 腐蚀几分钟后 钨丝在界面附近变尖细 形成针尖 最后用蒸馏水 无水乙醇冲洗 一 STM结构及工作原理 2 压电陶瓷扫描器压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV 1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移 目前普遍使用压电陶瓷材料作为x y z扫描控制器件 z方向上运动范围达到1 m 精度0 05 高级STM达到0 01 x或y方向上运动范围达到125 m 精度1 通过控制电压连续变化 针尖就可以在垂直面上或者水平面上做连续的升降或平移运动 其控制精度可以达到0 001nm 一 STM结构及工作原理 出现的多种结构的扫描器 三角架扫描器双压电晶片扫描器单管扫描 一 STM结构及工作原理 单管扫描器 TubeScanner 具有高的压电元件常数以及高的共振频率 一 STM结构及工作原理 通过控制STM的压电陶瓷扫描器 其扫描路线为光栅扫描 当扫描器沿直线扫描时 图像数据为等距离取样获得 用作扫描器的压电陶瓷的选择主要考虑压电陶瓷的压电系数 退极化场 Curie点 压电系数的温度关系 老化等 一 STM结构及工作原理 3 反馈调节器以及控制与显示系统反馈调节器与控制系统用来调节和控制STM偏压 压电陶瓷扫描电压以及隧道电流设定值 用以保证上述功能连续变化 最后由显示系统给出结果 应当指出 扫描隧道显微镜分析的样品表面状态对显微图像的质量也有重要影响 通常样品要经过一系列的处理获得平坦而纯净的表面 一 STM结构及工作原理 4 其他部件在STM中还有粗调定位器 振动隔离系统和样品台等部分 粗调定位器是STM的重要组成部分 STM压电扫描器的Z向伸缩范围一般小于2 m 安全可靠地将针尖 样品间距从毫米减少到微米 是STM顺利工作的前提 有效的振动隔离是STM达到原子分辨率的必备条件之一 STM原子分辨的样品表面像的典型起伏约为0 1 因此外界振动对STM的干扰必须降到0 01 以下 一 STM结构及工作原理 一 STM结构及工作原理 3 工作模式根据针尖和样品的相对运动方式不同 工作模式分为恒电流模式和恒高模式 一 STM结构及工作原理 恒高模式是在扫描过程中切断反馈回路保持针尖的高度不变 记录隧道电流的大小值 恒高模式适于观察表面起伏较小的样品 一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品 在恒高模式下 STM可进行快速扫描 获得STM图像快 而且能有效减少噪声和热飘逸对隧道电流信号的干扰 从而获得高分辨率的图像 一 STM结构及工作原理 恒电流模式是通过反馈回路在偏压不变的情况下保持隧道电流恒定 记录z向压电扫描器的伸缩情况 得到一个等电流面 恒电流模式是STM最常用的一种工作模式 在此模式下 STM的针尖随样品表面起伏而上下运动 因此不会因表面起伏太大而碰撞到样品表面 所以恒电流模式适于观察表面起伏较大的样品 一 STM结构及工作原理 一 STM结构及工作原理 利用扫描隧道显微技术 不仅可以获取样品表面形貌图像 同时还可以得到扫描隧道谱 利用这些谱线可对样品表面显微图像作逐点分析 以获得表面原子的电子结构等信息 具体操作是 在样品表面选一定点 并固定针尖与样品间的距离 连续改变偏压 Vb 值从负几伏至正几伏 同时测量隧道电流 便可获得隧道电流随偏压 I Vb或dI dVb Vb 变化曲线 即扫描隧道谱 一 STM结构及工作原理 二 STM特点 具有原子级高分辨率 分辨率横向0 1nm 纵向0 01nm 可实时地得到在实空间中表面的三维图象 观察单个原子层的局部表面结构 AtomicResolutiononPt 100 二 STM特点 具有原子级高分辨率 分辨率横向0 1nm 纵向0 01nm 可实时地得到在实空间中表面的三维图象 观察单个原子层的局部表面结构 可在真空 大气等不同环境下工作 甚至可将样品浸在溶液中 工作温度在0K到1100K 探测过程对样品无损伤 二 STM特点 具有原子级高分辨率 分辨率横向0 1nm 纵向0 01nm 可实时地得到在实空间中表面的三维图象 观察单个原子层的局部表面结构 可在真空 大气等不同环境下工作 甚至可将样品浸在溶液中 工作温度在0K到1100K 探测过程对样品无损伤 通过针尖与样品间的电学和力学作用 可以进行样品表面的原子操纵或纳米加工 构造所需的纳米结构 二 STM特点 配合扫描隧道谱STS ScanningTunnelingSpectroscopy 可以得到有关表面局域电子结构的信息 二 STM特点 STM技术局限性 不能探测深层结构信息 扫描范围小 探针质量具有不确定性 常依赖于操作者的经验 无法直接观测绝缘体材料 三 STM TEM SEM FIM的比较 四 STM前沿发展 宾尼等人1986年研制作成功的原子力显微