材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子力显微镜讲义PPT学习教案

1、会计学1材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子材料分析方法哈尔滨工业大学周玉原子力显微镜讲义力显微镜讲义 12.1 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） 1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼宾尼GBinnig博士和海博士和海.罗雷尔罗雷尔HRohrer博博士共同研制了世界第一台新型的表面分析仪器士共同研制了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)。使人类第一次能。使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和够实时地观察单个原子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，被国与表面电子行为有关的物理

2、、化学性质，被国际公认为上世纪际公认为上世纪80年代世界十大科技成就之一年代世界十大科技成就之一。 为此，为此，1986年，宾尼博士和罗雷尔与发明年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。 以扫描隧道电子显微镜为基础，以扫描隧道电子显微镜为基础，GBinnig 等等于于1985年又发明了可用于绝缘体检测、分析的年又发明了可用于绝缘体检测、分析的原子力显微镜原子力显微镜(AFM)。第1页/共42页第2页/共42页第3页/共42页 电子隧道效应与隧道电流电子隧道效应与隧道电流(a)隧道效应隧道效应(两金属靠得很近，两金属靠得很近， T1与与

3、T2是贯穿隧道的电子波是贯穿隧道的电子波 (b)隧道电流的形成隧道电流的形成(加适当电位加适当电位V，贯通隧道的电子定向流动，贯通隧道的电子定向流动)第4页/共42页第5页/共42页第6页/共42页第7页/共42页第8页/共42页第9页/共42页第10页/共42页第11页/共42页了试样表面形貌。计算机记了试样表面形貌。计算机记录试样表面每点的（录试样表面每点的（X Y Z)坐坐标，描绘试样的形貌。标，描绘试样的形貌。第12页/共42页第13页/共42页三三.工作模式工作模式1.恒电流工作模式恒电流工作模式 沿表面扫描过程中，探针沿沿表面扫描过程中，探针沿z方向的位移由反方向的位移由反馈电路控

4、制。反馈电路接受由于样品表面原馈电路控制。反馈电路接受由于样品表面原子排列变化子排列变化(样品表面起伏变化样品表面起伏变化)引起的电压引起的电压信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿z方向上方向上下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变不变(即探针针尖与样品间距恒定不变即探针针尖与样品间距恒定不变)。通。通过记录扫描过程中针尖位移的变化过记录扫描过程中针尖位移的变化即即z(x，y)，即可得到样品表面三维显微形貌图。，即可得到样品表面三维显微形貌图。 第14页/共42页第15页/共42页2.恒高度工作模式恒高度工作模式n沿表面扫描过程

5、中，探针保持在同一高度沿表面扫描过程中，探针保持在同一高度(不产不产生生z方向上下位移方向上下位移)。如此，则在扫描过程中，随。如此，则在扫描过程中，随样品表面起伏的变化样品表面起伏的变化(针尖与样品表面间距变化针尖与样品表面间距变化)，隧道电流不断变化。通过记录扫描过程中隧道，隧道电流不断变化。通过记录扫描过程中隧道电流的变化，也可得到样品表面的三维显微形貌电流的变化，也可得到样品表面的三维显微形貌图。图。n恒高度工作模式获取显微图像快恒高度工作模式获取显微图像快(1s)，能有效地，能有效地减少噪音和热漂移对隧道电流信号的干扰，提高减少噪音和热漂移对隧道电流信号的干扰，提高分辨率；但恒高度工

6、作模式只适于观察表面起伏分辨率；但恒高度工作模式只适于观察表面起伏较小较小(一般不大于一般不大于1nm)的样品，即观察的表面必的样品，即观察的表面必须原子尺度光滑须原子尺度光滑(否则会损坏探针否则会损坏探针)。n恒电流工作模式可用于观察表面起伏较大的样品恒电流工作模式可用于观察表面起伏较大的样品，是扫描隧道显微镜通常使用的工作模式，是扫描隧道显微镜通常使用的工作模式。第16页/共42页扫描模式示意图扫描模式示意图（a）恒电流模式；（）恒电流模式；（b）恒高度模式）恒高度模式S 为针尖与样品间距，为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压，为隧道电流和偏置电压， Vz为控制针尖在为控制针尖

7、在 z 方向高度的反馈电压。方向高度的反馈电压。 第17页/共42页n探针针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响探针针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响显微图像的分辨率，而且影响原子的电子态的显微图像的分辨率，而且影响原子的电子态的测定、分析。测定、分析。n若针尖最尖端只有一个稳定的原子若针尖最尖端只有一个稳定的原子(单原子锋单原子锋)，则能够获得原子级分辨率的图像。，则能够获得原子级分辨率的图像。n探针通常用探针通常用0.10.3nm的铂铱合金丝或钨丝经的铂铱合金丝或钨丝经电化学腐蚀制作，通过适当处理，可获得具有电化学腐蚀制作，通过适当处理，可获得具有单原子峰的针尖。单原子峰的针尖。n样品的清

8、洁处理也是获得原子分辨图像的关键样品的清洁处理也是获得原子分辨图像的关键。四四.探针与试样要求探针与试样要求1.探针探针第18页/共42页2.样品要求样品要求n对试样大小无要求，无破坏程度。但试样表面对试样大小无要求，无破坏程度。但试样表面应无氧化与污染。应无氧化与污染。n扫描隧道显微镜不能直接分析陶瓷等绝缘体样扫描隧道显微镜不能直接分析陶瓷等绝缘体样品，为此采用以下方法：将样品制成薄膜，均品，为此采用以下方法：将样品制成薄膜，均匀地覆盖在导电性较好的衬底上；或在样品表匀地覆盖在导电性较好的衬底上；或在样品表面均匀覆益一层导电膜。面均匀覆益一层导电膜。 n工作环境：大气、溶液、真空环境下均可。

9、但工作环境：大气、溶液、真空环境下均可。但为防试样表面氧化与污染，一般多在超高真空为防试样表面氧化与污染，一般多在超高真空环境下进行样品表面的分析、研究。环境下进行样品表面的分析、研究。第19页/共42页 3.扫描区域扫描区域nSTM只能观察试样表面，不能探测样品的深只能观察试样表面，不能探测样品的深层信息，检测深度层信息，检测深度12原子层。原子层。n由压电陶瓷制成的三维扫描控制器精密控制由压电陶瓷制成的三维扫描控制器精密控制针尖相对于样品的运动，其运动范围有限。针尖相对于样品的运动，其运动范围有限。目前，在目前，在z方向的方向的(上下上下)运动范围达运动范围达1 m以上以上，在，在x、y方

10、向的扫描范围可达方向的扫描范围可达125 m125 m。第20页/共42页四、扫描隧道显微分析的特点与应用四、扫描隧道显微分析的特点与应用1.特点：特点：与其它表面分析技术相比，扫描隧与其它表面分析技术相比，扫描隧道显微道显微(境境)分析具有其自身的特点：分析具有其自身的特点：n具有原子级高分辨率。扫描隧道显微镜在具有原子级高分辨率。扫描隧道显微镜在平行和垂直于样品表面方向平行和垂直于样品表面方向(横向和纵向横向和纵向)的分辨率分别为的分辨率分别为 0.1nm和和 0.01nm。可以。可以分辨出单个原子。分辨出单个原子。n可实时得到样品表面三维可实时得到样品表面三维(结构结构)图像。图像。n可

11、在真空、大气，常温、高温等不同环境可在真空、大气，常温、高温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水或其它溶液下工作，甚至可将样品浸在水或其它溶液中。相对于透射电子显微镜，扫描隧道显中。相对于透射电子显微镜，扫描隧道显微镜结构简单、成本低廉。微镜结构简单、成本低廉。 第21页/共42页第22页/共42页第23页/共42页第24页/共42页第25页/共42页第26页/共42页旋结构等。旋结构等。7）原子技术（工艺）原子技术（工艺）用扫描隧道显微技术或其它方法在原子尺度用扫描隧道显微技术或其它方法在原子尺度(纳纳米尺度米尺度)对材料的加工和制备。对材料的加工和制备。第27页/共42页1990年，年，I

12、BM公司的科学公司的科学家展示了一项令世人瞠目家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属结舌的成果，他们在金属镍表面用镍表面用35个惰性气体氙个惰性气体氙原子组成原子组成“IBM”三个英文三个英文字母。字母。 这是中国科学院化学所的这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最原子而绘制出的世界上最小的中国地图。小的中国地图。第28页/共42页STM第29页/共42页12.2 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM) 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)也称扫描力显微镜，是针也称扫描力显微镜，是针对扫描隧

13、道显微镜不能直接观测绝缘体表面形貌对扫描隧道显微镜不能直接观测绝缘体表面形貌的问题，在其基础上发展起来的又一种新型表面的问题，在其基础上发展起来的又一种新型表面分析仪器。分析仪器。一一. .结构结构 A是是AFM待测样品，待测样品，B是是AFM针尖，针尖，C是是STM的针尖，的针尖，D是微杠杆是微杠杆(悬臂梁悬臂梁)，又是，又是STM的样品的样品。 E为使微杠杆发生周期振动的调制压电晶体，用为使微杠杆发生周期振动的调制压电晶体，用于调节隧道间隙。样品于调节隧道间隙。样品A固定在三维压电晶体驱固定在三维压电晶体驱动器动器(图中用图中用AFM SF表示表示) 上，由驱动器进行上，由驱动器进行x、y

14、扫描和扫描和z方向控制。两者都装在绝缘体方向控制。两者都装在绝缘体 (氟橡氟橡胶胶)F上，并固定在金属框架上。上，并固定在金属框架上。 第30页/共42页AFM工作原理图工作原理图第31页/共42页 AFM针尖针尖B在试样表面扫描时，由于试样在试样表面扫描时，由于试样表面不平，针尖原子与试样表面原子的间隙不断表面不平，针尖原子与试样表面原子的间隙不断变化，原子间作用力变化。如试样与杠杆间作用变化，原子间作用力变化。如试样与杠杆间作用力为力为F1时，对应杠杆向试样倾斜时，对应杠杆向试样倾斜Z，STM对应对应一隧道电流一隧道电流I0,当当STM的的PZ（控制（控制STM针尖针尖Z方向方向的压电陶瓷

15、）不动，使的压电陶瓷）不动，使AFM样品沿样品沿X(Y)方向移方向移动，试样表面凸起，动，试样表面凸起， Z，排斥力，排斥力，杠杆右倾，杠杆右倾，STM隧道间隙隧道间隙S ,隧道电流隧道电流，反馈，反馈AFM的的Z方向压电晶体方向压电晶体VZ ，样品右移。这样试样在杠杆，样品右移。这样试样在杠杆针尖表面针尖表面XOY扫描时，可记录试样表面各点的扫描时，可记录试样表面各点的 （VXVYVZ)XYZ, 获试样表面轮廓图。获试样表面轮廓图。 二二.工作原理工作原理第32页/共42页第33页/共42页1.试样表面形貌分析：试样表面形貌分析： STM恒流使恒流使AFM试样与杠杆探针原子间试样与杠杆探针原子间作用力恒定。作用力恒定。 STM的的PZ（控制（控制STM针尖针尖Z方向方向的压电陶瓷）不动，因试样表面高低不平，为保的压电陶瓷）不动，因试样表面高低不平，为保持持STM的恒流，试样需随表面高低起伏前后移动的恒流，试样需随表面高低起伏前后移动，可记录试样表面各点的，可记录试样表面各点的 （VXVYVZ)XYZ, 获获试样表面试样表面原子尺度三维结构图像原子尺度三维结构图像。三三