隧道效应扫描隧道显微镜-答辩苏明

1、隧道效应和扫描隧道显微镜隧道效应和扫描隧道显微镜专业班级：应用物理专业班级：应用物理051学生姓名：苏明学生姓名：苏明指导老师：王景雪指导老师：王景雪2021年年12月月8日日理理学学院院0909届应届应用物理用物理专业毕业论专业毕业论文答文答辩辩v 显微镜的发明使人类的视野一步步向微观世界迈进显微镜的发明使人类的视野一步步向微观世界迈进。从列文虎克使用光学显微镜观察细胞，到电子显。从列文虎克使用光学显微镜观察细胞，到电子显微镜下清晰的材料表面形貌，人们对微观世界的了微镜下清晰的材料表面形貌，人们对微观世界的了解逐渐深入。而扫描隧道显微镜解逐渐深入。而扫描隧道显微镜(STM)的发明是人的发明是

2、人类在微观领域的又一个巨大飞跃类在微观领域的又一个巨大飞跃.现在，现在，STM及在及在此基础上发展而来的此基础上发展而来的SPM已经被广泛应用于材料科已经被广泛应用于材料科学、生命科学技术、探测及纳米技术、微电子技术学、生命科学技术、探测及纳米技术、微电子技术等多个当今科技前沿领域。所以学习等多个当今科技前沿领域。所以学习STM的基本原的基本原理及应用，既能够使我们进一步理解量子力学的一理及应用，既能够使我们进一步理解量子力学的一些基本原理现象，更有助于今后在这些高精尖领域些基本原理现象，更有助于今后在这些高精尖领域进一步学习深造进一步学习深造。2021年年12月月8日日Contents扫描隧

3、道显微镜1STM的发展的发展-SPM2SPM在纳米加工领域的应用在纳米加工领域的应用3SPM用于石墨表面分析用于石墨表面分析42021年年12月月8日日STM基本原理基本原理v 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，通过电流的变化得到样品表理论中的隧道效应，通过电流的变化得到样品表面的相关信息。将原子尺度的极细探针和被研究面的相关信息。将原子尺度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时非常接近时(通常小于通常小于1nm)，在外加电场的作，在外加电场的作用下，电子会穿

4、过两个电极之间的势垒流向另一用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，即隧道效应。形成的隧道电流电极，即隧道效应。形成的隧道电流 是电子波是电子波函数叠加的量度，与针尖和样品之间的距离函数叠加的量度，与针尖和样品之间的距离 和和平均功函数平均功函数 有关：有关： 2021年年12月月8日日1/2exp()bIVAS扫描隧道显微镜工作模式扫描隧道显微镜工作模式v STM的基本工作原理就是通过测量隧道电流的变化来反映表的基本工作原理就是通过测量隧道电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏。由此产生的基本的工作模式主要有两种面上原子尺度的起伏。由此产生的基本的工作模式主要有两种v 一是控制隧道电流

5、的恒定，使用压电陶瓷材料控制针尖在样品一是控制隧道电流的恒定，使用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录下样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录下来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像。这种来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像。这种扫描方式称为恒电流模式，应用于表面形貌起伏较大的样品。扫描方式称为恒电流模式，应用于表面形貌起伏较大的样品。2021年年12月月8日日而对于起伏不大的样品，我们采用第二种扫描方式，即恒

6、高模式，控制针尖高度守恒，记录隧道电流的变化从而得到样品表面的各方面信息。这种模式的优点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。 STM与与EM、FIM的各项性能指标比较的各项性能指标比较分辨率分辨率工作环境工作环境样品环境温度样品环境温度对样品的破坏程度对样品的破坏程度检测深度检测深度STM原子级实验室环境、大气、溶液、真空室温或低温无1-2个原子层TEM点分辨晶格分辨高真空室温小一般小于100nmSEM6-10nm高真空室温小1mFIM原子级超高真空30-80K有原子厚度2021年年12月月8日日由于STM的基本工作原理是利用了隧道电流，

7、这就要求了样品表面必须具有一定程度的导电性。对于半导体观测的效果差于导体，而绝缘体就无法观察。STM基础上的发展基础上的发展STMBEEM AFMLFM2021年年12月月8日日v 1986年年Binnig、Quate和和Gerber发明了第一台原子力显微镜发明了第一台原子力显微镜AFM。v AFM的工作原理如图所示。将一个对微弱力及其敏感的微悬臂一端的工作原理如图所示。将一个对微弱力及其敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样品固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，微悬臂会发生微小的弹性形变。通表面原子间存

8、在极微弱的排斥力，微悬臂会发生微小的弹性形变。通过测定微悬臂形变量的大小，可以获得针尖与样品间的作用力的大小过测定微悬臂形变量的大小，可以获得针尖与样品间的作用力的大小。作用力与距离有强烈的依赖关系，可以根据微悬臂的弹性系数。作用力与距离有强烈的依赖关系，可以根据微悬臂的弹性系数k和和函数函数 直接求出样品针尖间相互作用力直接求出样品针尖间相互作用力F2021年年12月月8日日F光学检测法隧道电流检测法AFM信号检测2021年年12月月8日日AFM成像模式成像模式1接触模式针尖始终和样品接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品表面滑动。2非接触模式针尖在样品表面上方振动，并保持

9、不与样品接触，探针检测的是范德华力等对样品没有破坏的长程作用力3轻敲模式微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，针尖轻轻敲击表面，间断性的与样品表面接触2021年年12月月8日日AFM这种接触式探针显微镜主要利用的是原子间的短程斥力，而当这种接触式探针显微镜主要利用的是原子间的短程斥力，而当探针与样品表面距离探针与样品表面距离10100nm时，磁力、静电力和吸引的范德时，磁力、静电力和吸引的范德华力等长程作用力就可以被检测出来。接触式华力等长程作用力就可以被检测出来。接触式AFM是微悬臂上的针是微悬臂上的针尖与样品表面接触，表面形貌象的获得是通过测量在扫描时微悬臂的尖与样品表面接触，表面形貌象的获得

10、是通过测量在扫描时微悬臂的静态弯曲所得到的。而通过测量磁力、静电力和范德华力等长程作用静态弯曲所得到的。而通过测量磁力、静电力和范德华力等长程作用力而成像的显微镜，针尖与样品表面并不接触，都是采用测量表面性力而成像的显微镜，针尖与样品表面并不接触，都是采用测量表面性质对受迫振动的微悬臂所产生影响的方法。这一类主要包括激光力显质对受迫振动的微悬臂所产生影响的方法。这一类主要包括激光力显微镜，磁力显微镜和静电力显微镜等。微镜，磁力显微镜和静电力显微镜等。各种类型的各种类型的SPM都是依靠一个极细的针尖与样品表面原子的作用，都是依靠一个极细的针尖与样品表面原子的作用，进行原子级表面形貌观察。现在，人

11、们不仅可以根据样品的性质选取进行原子级表面形貌观察。现在，人们不仅可以根据样品的性质选取适当的适当的SPM来获取样品表面信息，同样可以使用来获取样品表面信息，同样可以使用SPM对样品表面进对样品表面进行加工。这主要是基于在行加工。这主要是基于在STM工作时产生的电子束会在针尖所对应工作时产生的电子束会在针尖所对应的样品表面微小区域中产生结构性缺陷、相变、化学反应和吸附质移的样品表面微小区域中产生结构性缺陷、相变、化学反应和吸附质移位等干扰，并诱使化学淀积和腐蚀，这是位等干扰，并诱使化学淀积和腐蚀，这是STM可用于表面微细加工可用于表面微细加工的客观依据。的客观依据。2021年年12月月8日日S

12、PM在纳米加工领域应用在纳米加工领域应用1234单原子操纵单原子操纵有人采用STM在Si基体上的二聚物表面上，控制单个氢原子，使其可以处在两个对称位置的开关状态，从而可以作为一个数据存储中的二进制开关，用电子激励的方法控制这个开关，在室温下实现了二进制存储阳极氧化法通过针尖与样品之间发生的化学反应来形成纳米尺度氧化结构的一种加工方法。简单易行，刻蚀出的结构性能稳定，是目前较为成熟的一种加工方法机械刻蚀加工机械刻蚀是指利用SPM的针尖与样品之间的相互作用力，在样品表面刮擦、压痕、提拉或推挤粒子产生纳米尺度的结构。还可以作为一种修复工具对其他微细加工方法加工的微小结构进行修复蘸水笔纳米加工使用AF

13、M的针尖作笔，固态基底作纸，能与基底有化学作用力的分子作为墨水，分子通过凝结在针尖与基底间的水滴的毛细作用直接书写到基底表面2021年年12月月8日日2021年年12月月8日日2021年年12月月8日日STM应用于石墨样品的简单分析应用于石墨样品的简单分析2021年年12月月8日日作为最新型的显微镜，STM在样品表面分析领域同样发挥着巨大的作用。下图是对碳纳米管（硝酸处理）的STM扫描图。箭头所指处相对于其他区域较暗，使用STM对其进行进一步扫描。v 距离箭头所指处较远的区域则观察距离箭头所指处较远的区域则观察到了明显的三角形周期性结构分布到了明显的三角形周期性结构分布。 STM是利用了样品是

14、利用了样品-针尖的偏压针尖的偏压所产生的扫描隧道电流来得到样品所产生的扫描隧道电流来得到样品表面的各方面信息。电流的大小使表面的各方面信息。电流的大小使用明暗来区分。看出周期性的亮点用明暗来区分。看出周期性的亮点三角形结构和暗点三角形结构同时三角形结构和暗点三角形结构同时存在。存在。v 观察石墨三维结构图，可以看出在观察石墨三维结构图，可以看出在石墨的层与层之间，并不是每一个石墨的层与层之间，并不是每一个电子都有化学键相连。与下层有键电子都有化学键相连。与下层有键相连的称为相连的称为 原子，无键相连的原子，无键相连的称为称为 原子。原子。 原子与其下方的有原子与其下方的有较强的相互作用，导致了其费米能较强的相互作用，导致了其费米能级附近电子态密度的下降，隧道电级附近电子态密度的下降，隧道电流较弱，从而在流