扫描隧道显微镜与原子力显微镜PPT演示课件

原子力显微镜（扫描探针显微镜）AFM（SPM）,1,一、显微镜的发展,光学显微镜高级显微镜,2,光学显微镜,16世纪末，荷兰的眼镜商ZacchariasJanssen,第一台复合式显微镜，倍数太低,3,Leeuwenhoek磨制的单片显微镜的放大倍数将近300倍,4,高级显微镜,1938年，德国工程师MaxKnoll和ErnstRuska制造出了世界上第一台透射电子显微镜（TEM）1952年，英国工程师CharlesOatley制造出了第一台扫描电子显微镜（SEM）至此，电子显微镜的分辨率达到纳米级,5,1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig和HeinrichRohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）应用电子的“隧道效应”这一原理，对导体或半导体进行观测,6,STM的原理是电子的“隧道效应”，只能测导体和部分半导体1985年，IBM公司的Binning和Stanford大学的Quate研发出了原子力显微镜（AFM），弥补了STM的不足,7,按经典力学的观点:若EV。时,粒子才糍穿过垒区。,量子力学观点：由于微观粒子不能忽略的波动性，即使EV。，在量子力学里，也不是所有的粒子都能穿过势垒，能通过势垒的只是入射流中的一部分，而另一部分则被势垒反射。,12,EV。时，薛定谔方程为：解得：,13,结论：从上两式知，当EV。时的情况一样，既有反射波，又有透射波，即低能粒子能穿过能量高于自身的势垒，到达势垒的另一边。隧道效应得到量子力学完美的解释。,14,2工作原理,由量子力学可知，金属表面以外的电子密度随x增大而按指数衰减，衰减长度约为1nm。隧道电流如将两块金属靠得很近（距离小于1nm），它们表面的电子云就会发生重叠。如在这两金属间加一微小电压，即可观察到它们之间的隧道电流。隧道电流的大小与哪些因素有关？,15,隧道电流与两金属电极的间距s及平均线衰减常数Ko的关系为对于两块均匀金属的表面，,16,STM就是运用了“隧道效应”这一原理，如图：,将一块已知功函数的电极做成针尖状，作为探针。在另一电极（样品）表面扫描，并保持两者相距1nm，则隧道电流满足关系:,如s以0.1nm为单位。则A的量值为1。,当s变化0.1nm时，J就会有数量级的变化。,17,恒电流模式:,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，使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。,18,STM工作原理在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。,恒高度模式,19,恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。,20,STM的原理虽然简单，但设计和制作却十分困难。主要技术难点包括：（1）消除各种震动的影响，使探针表面的间隙保持恒定；（2）采用特殊技术使探针表面的间隙保持为1nm；（3）制作稳定而又能保证原子分辨率的探针针尖；（4）保证足够的扫描速度和扫描范围。,21,3特点,（1）可在真实空间直接得出表面结构的三维图象。放大倍数可达数千万倍。横向分辨率和纵向分辨率分别达到0.1nm和0.005nm。（2）不需任何光学透镜或电子透镜。（3）既可在真空也可在大气甚至液体中观察样品，这对生物试样尤为重要。（4）没有辐照损伤。,22,STM的应用,（1）表面原子结构研究。STM能直接在真实空间给出表面三维图象，并具有原子分辨率，从而为精确确定表面原子结构提供了一种有力工具。这方面最成功的应用就是确定了Si(111)表面存在的77超晶格结构。(在Si(111)-(77)表面自组织生长二维Ge团簇超晶格，物理学报，Vol51，1017（2002）,23,24,（2）表面电子态研究。例如，电子密度波（3）大气中观察生物样品。,STM的应用,25,（4）纳米尺度的加工和单原子的操纵。STM中针尖下方的隧道电流犹如一束低能聚焦电子束，可进行毫微米刻蚀，诱导气相沉积，局域电化学反应。现已能加工成型线宽2-5nm的简单图形。控制单个原子使其按一定规律排列组合以产生新的功能，形成新的材料或器件，是科学家们长期追求的目标之一。STM为这一目标的实现提供了有力的工具。1991年，IBM公司的研究人员成功地用STM在Ni(110)单晶表面逐个移动Xe原子。Engler等用这一方法将原子排成了世界上最小的字母IBM。,26,用STM移动氙原子排出的“IBM”图案,27,STM优点,1.具有原子级高分辨率2.可实时得到实空间中样品表面的三维图像3.可以观察单个原子层的局部表面结构4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作5.配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息6.利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础,28,局限性,STM的恒电流工作模式下，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。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。,STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。,29,在STM基础上发展起来的各种新型显微镜,原子力显微镜激光显微镜,30,三、原子力显微镜,STM只能用于导体或半导体的研究，为克服这一不足，1986年宾尼希等发明了原子力显微镜(AFM)。与STM不同，AFM测量的不是隧道电流，而是针尖与样品之间的力。,31,原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。,原子间范德华力,32,两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contactAFM），探针与试片的距离约数个。（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contactAFM），探针与试片的距离约数十到数百。,33,硬件架构：在原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。,34,力检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。,35,位置检测部分：在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂（cantilever）摆动，所以当激光照射在cantilever的末端时，其反射光的位置也会因为cantilever摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供控制器作信号处理。,36,反馈系统：在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持合适的作用力。,37,将微小针尖放在悬臂的一端，当针尖与样品间距小于一定范围时，由于针尖与样品的相互作用，悬臂发生弯曲变形。使样品与针尖之间作扫描运动，监测悬臂的形变位移，即可得到样品表面的形貌信息。目前在AFM中使用的大多为用微电子技术制作的微悬臂，长度约为几十微米。这种悬臂共振频率高，可测的力。由于微悬臂的位移很小，对它的测量是AFM的一个关键技术。现在大多采用的是光学方法。最普遍的是光束反射法。,38,从半导体激光器发出的光经透镜聚焦在微悬臂的背面，反射光照在光电位敏探测器上。当悬臂由于样品表面起伏而弯曲时，反射光也相应移动。由于光程远大于悬臂长度，所以悬臂的位移被放大几百倍。将光电测量信号反馈，控制样品台的z方向压电陶瓷的位移，使悬臂恢复原来位置，扫描过程中压电陶瓷控制电压的变化就反映了样品表面的起伏。,39,原子力显微镜的应