扫描隧道显微镜优秀课件

扫描隧道显微镜 郭莉1515073023 1 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 2 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms 概况 1 STM的产生背景 自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后 几十年来 有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世 如透射电子显微镜 TEM 扫描电子显微镜 SEM 场离子显微镜 FIM 等 但任何一种技术在应用中都会存在一定的局限性 1981年 IBM 国际商业机器 公司苏黎世实验室的葛 宾尼 GerdBinnig 博士和海 罗雷尔 HeinrichRohrer 博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 扫描隧道显微镜 ScanningTunnelingMicroscope 简称STM 1986年 STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 葛 宾尼 GerdBinning 海 罗雷尔 HeinrichRohrer 3 2 STM出现的意义 概况 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只能研究可制备程极细针尖的固体样品表面原子 因此可研究的样品种类有限 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 4 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 可观察单个原子层的局部表面结构 概况 3 STM的优点 AtomicResolutiononPt 100 5 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 可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 其工作温度可以在mK到1100K范围 并且探测过程对样品无损伤 概况 3 STM的优点 UHV 6 Air 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 可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 其工作温度可以在mK到1100K范围 并且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 概况 3 STM的优点 7 在大气里 样品表面易存在物理吸附和化学吸附 STM很难得到稳定的真实的样品表面结构图像 只能对包括高定向热解石墨 HOPG 等少数几种样品成原子像 在STM的恒流工作模式下 有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测 与此相关的分辨率较差 STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性 宾尼等人1986年研制作成功的原子力显微镜 AtomicForceMicroscope AFM 弥补了STM这方面的不足 后来又陆续发展了一系列的扫描探针显微镜 ScanningProbeMicroscope SPM 如磁力显微镜 MFM 静电力显微镜 EFM 扫描热显微镜 光子扫描隧道显微镜 PSTM 等 8 概况 4 STM本身存在着的局限性 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 10 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms 9 STM的基本原理 10 STM的基本原理 对于经典物理学来说 当一粒子的动能E低于前方势垒的高度U0时 它不可能越过此势垒 即透射系数等于零 粒子将完全被弹回 而按照量子力学的计算 在一般情况下 其透射系数不等于零 也就是说 粒子可以穿过比它的能量更高的势垒 这个现象称为隧道效应 1 隧穿效应 TunnelingEffect STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应 STM中最重要的概念隧穿电流 Tunnelingcurrent 可通过一维模型简单说明 11 STM的基本原理 1 隧穿效应 TunnelingEffect STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应 STM中最重要的概念隧穿电流 Tunnelingcurrent 可通过一维模型简单说明 由式中可见 透射系数T与势垒宽度L 能量差 U0 E 有着很敏感的依赖关系 随着L的增加 T将指数衰减 根据量子力学的波动理论 电子穿过势垒的透射系数 0 12 U2 T 16E U0 E exp 2kL 15 STM的基本原理 2 隧穿电流 TunnelingCurrent STM是将原子线度的极细探针和样品的表面作为两个电极 当样品与针尖的距离非常接近时 通常小于1nm 在外加电场的作用下 电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 形成隧穿电流 其大小为 式中 V是针尖和样品之间的偏置电压 z为样品与针尖的距离 是平均功函数 由前式可知 隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系 当距离减小0 1nm 隧道电流即增加约一个数量级 因此 根据隧穿电流的变化 我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息 13 STM的基本原理 2 隧穿电流 TunnelingCurrent 在一维模型中 隧穿电流j是偏压V 样品表面电子局域态密度 样品逸出功和针尖与样品间距z的函数 当针尖 样品间偏压一定时 针尖 样品间距 样品逸出功和样品表面电子局域态密度任一发生变化时 隧穿电流都会发生变化 因此 STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构的综合效应的结果 另外 在STM成像过程中 针尖起到了重要作用 STM图像原子分辨率的解释必须考虑针尖的电子态以及针尖 样品间的相互作用 14 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 15 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms STM的仪器构造 STMInstrumentation 16 23 STM的仪器构造 STMInstrumentation STM由具有减振系统的STM头部 含探针和样品台 电子学控制系统和包括A D多功能卡的计算机组成 TipScannerSamplepositionerVibrationisolationControlelectronicsPre amplifierFeedbackScancontrolComputerandsoftware 17 超高真空变温STM装置 STM的仪器构造 STM主要包括两部分 机械部分 STM针尖 压电扫描器 振动隔离器 粗调定位器控制系统 STM电路 计算机接口 显示设备 控制软件 对于超高真空STM还包括真空系统 样品传送设备和变温系统 24 18 STM的仪器构造 STM工作过程 在STM操作中 样品在扫描的时固定不动 针尖由特制针尖架装在单管扫描器上并随之运动 扫描器X Y Z三个方向的扫描范围可达15 m 15 m 15 m 压电扫描器装在三维压电惯性步进器上 遥控惯性步进器实现针尖粗调移动 整个过程由CCD相机和显示器监控 X Y Z三个方向的移动范围可达10mm 10mm 10mm 振动隔离通过悬挂弹簧和涡 流阻尼器实现 25 19 样品台 SampleStage STM的仪器构造 通过铜线与样品台相连 利用热传导降低样品温度 20 STM的仪器构造 21 电子学控制系统STM要用计算机控制步进电机的驱动 使探针逼近样品 进入隧道区 而后要不断采集隧道电流 在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较 再通过反馈系统控制探针的进与退 从而保持隧道电流的稳定 所有这些功能 都是通过电子学控制系统来实现的 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 40 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms 22 STM的工作模式 STMOperationModes 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 针尖的x y方向仍起着扫描的作用 而z方向则保持绝对高度不变 由于针尖与样品表面的相对高度会随时发生变化 因而隧道电流的大小也会随之明显变化 通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布 特点是 扫描速度快 能减小噪音和热漂移的影响 但样品表面的其幅度应小于1nm 23 STM的工作模式 STMOperationModes 恒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 利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x y方向扫描 而z方向的反馈回路控制隧道电流的恒定 当样品表面凸起时 针尖就会向后退 以保持隧道电流的值不变 这样探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏 现代的STM一般不再严格区分恒流模式和恒高模式 而是通过调节反馈增益的大小来改变STM针尖的纵向运动的灵敏度 以取得满意的STM图像 24 STM的工作模式 25 STM的工作模式 26 影响仪器分辨率和图像质量的因素主要有以下几点 对针尖的要求 具有高的弯曲共振频率 针尖的尖端很尖 最好尖端只有一个原子 针尖的化学纯度高 压电陶瓷的精度要足够高 减震系统的减震效果要好 可采用各种减震系统的综合使用 电子学控制系统的采集和反馈速度和质量 样品的导电性对图像也有一定的影响 各种参数的选择要合适 STM的实验步骤 27 准备针尖和样品 手动逼近样品和针尖 使之距离约为1mm 切忌使针尖与样品发生相撞 设置参数 隧道电流 针尖偏压 软件控制马达 使针尖自动逼近进入隧道区 根据不同的样品设置不同的扫描范围 金膜一般取700 900nm 石墨一般取5 15nm 根据不同的模式设置不同的扫描速度 恒流模式一般要较慢扫描 恒高模式可较快扫描 然后开始扫描 得到扫描图像后 可进行一定的图像处理 实验结束后 一定要先使用软件控制马达自动退达1000步以上 关闭系统 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 28 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms STM的应用 29 金属 半导体表面的原子重构结构 在超高真空中沉积样品到基底表面 可以研究样品在基底的成核 生长以及可控的样品表面吸附过程 在不同温度下实现对样品表面成像 研究样品表面原子结构和电子结构变化过程 可获得样品原子在表面的迁徙和表面重构形成的动力学过程 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要的结构 STM的应用 金膜表面的原子团簇图像扫描 STM图像反映的是表面局域态密度的形貌 这些形貌正好反映了表面势垒的形状 表面势垒的形状与表面原子位置密切相关 因此 STM图像直接反映了金属表面的几何结构 由于颗粒比较大 所以避免采用恒高模式 而用恒流模式进行扫描 30 STM的应用 金膜表面局域原子结构像扫描在STM研究的初期 很难观察到原子分辨率的金属表面 随着理论和实验的进展 大量金属清洁表面都得到了原子分辨的STM像 包括Au 111 Ag 111 Cu 111 Pt 100 Pt 111 等 理论上 考虑针尖电子态和针尖 样品间的相互作用 基本上解释清楚了原子分辨的金属表面STM像 31 STM的应用 高序石墨原子 HOPG 图像的扫描 扫描隧道显微镜扫描原子图像时 通常选用石墨作为标准样品 石墨中的原子排列成层状 而每一层的原子则呈六边形周期排列 由于石墨表面比较平整 而且原子高度一般不超过1nm 为了更高速度和更高质量的扫描 建议使用恒高扫描模式 32 STM的应用 33 58 STM的应用 Si 111 surface单晶硅为金刚石结构 111 面是硅的自然解离面 解离后 111 面的每个Si原子具有一个sp3悬挂键 即垂直表面的sp3杂化轨道上只有一个电子 因此 Si 111 1x1表面具有金属电子结构特性 但很不稳定 Sp3悬挂键再次杂化导致Si 111 面发生重构 在不同温度下表现出不同的重构表面 SchematicdiagramofunconstructedSi 111 surface 34 STM的应用 59 STM的应用 STM探测的是电子态 因此STM形貌像的解释取决于所建立的结构模型 在Si 111 7x7重构表面的模型中 Takayanag等人提出的二聚体 顶戴原子 层错模型 dimmer adatom stackingfault DAS 比较合理 Si 111 surface 69 STM的应用 Si 111 surface 37 扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy 38 IntroductionQuantumtunnelinginSTMSTMInstrumentationSTMOperationmodesSTMExamplesManipulationofindividualatoms 80 STM的原子操纵 STM不仅能在原子尺度上观察样品表面结构 而且可通过针尖 样品间强的相互作用 可以对样品表面的原子 分子或吸附的原子 分子进行操作 原子操纵就是在原子结构的本底上 对单个原子或分子进行移动 取出或植入操纵 并形