扫描探针显微术

1、扫描探针显微术扫描探针显微术 -通向纳米世界的桥梁通向纳米世界的桥梁 引言引言显微术的发展历史显微术的发展历史诺贝尔物理奖。n扫描探针显微术中最早研制成功的是扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy, STM）。1981年在IBM公司瑞士苏黎世实验室工作的G.宾尼希,（GBinning）和H.罗雷尔（HRohrer）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象。 n光学显微镜，利用透镜对光线的折射，使物体形成比自身大几百倍的象，人们可以看到如细胞、晶粒那样细小的物体。但是光的波动性产生的衍射效应使光学显微镜的分辨极限

2、只能达到光波的半波长左右，确切地以下式表示：n其中为波长，为物镜的孔径角，N为折射率，d为最小可分辨长度。显然在可见光范围内d的最小值约为0.3m。 dN0 61.sin 电子的德布罗意波长 hmeV2 n 100KeV的高能电子的波长为.0037nm。n。现代高分辨透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）分辨率优于0.3nm，n晶格分辨率可达0.10.2nm。 n 技 术 名 称 分 辨 本 领 工 作 环 境 对样品影响 检 测 深 度 nSTM d:0.01nm 大气、液体 d :0.1nm、 真空均可 无 损 12个原子层 TEM d

3、:无 d :0.2nm 高真空 中 样品厚0.1m SEM d:低 d :610nm 高真空 小 1m n FIM d :0.2nm 高真空 大 1个原子层 nJ=e2/h(k0/42s)vtexp(-2k0s) 其中为功函数。如果，则。kh mh mVVeVsnmjAnmT0121212821804510(),.() nj和极间距s成指数关系，若5eV，则s增加0.1nm时，电流改变一个数量级。 Iehf Ef EeVMEEv212()()() 扫描隧道显微镜n隧道电流含有表面电子态密度的信息，隧道电流含有表面电子态密度的信息，这一点在对图象进行解释时必须加以注这一点在对图象进行解释时必须加

4、以注意。意。 改变偏压改变偏压V V或电极间距或电极间距S S观察隧道电观察隧道电流的变化，即可得出电流流的变化，即可得出电流电压隧道电压隧道谱和电流谱和电流间隙特性谱，间隙特性谱， 隧道谱含有隧道谱含有丰富的表面电子结构信息。丰富的表面电子结构信息。原理 STM的工作模式 (a)恒高度模式 （保持针尖高度）。n若以针尖为一电极，被测固体表若以针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当它们之间的距面为另一电极，当它们之间的距离小到离小到nm数量级时数量级时,电子可以从电子可以从一个电极通过隧道效应穿过空间一个电极通过隧道效应穿过空间势垒到达另一电极形成电流，其势垒到达另一电极形成电流，其电流大小

5、取决于针尖与表面间距电流大小取决于针尖与表面间距及表面的电子状态，如果表面是及表面的电子状态，如果表面是由同一种原子组成，由于电流与由同一种原子组成，由于电流与间距成指数关系，当针尖在被测间距成指数关系，当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表表面上方做平面扫描时，即使表面起伏仅有原子尺度的起伏，电面起伏仅有原子尺度的起伏，电流却有成十倍的变化，这样就可流却有成十倍的变化，这样就可用现代电子技术测出电流的变化，用现代电子技术测出电流的变化，它反映了表面的起伏，它反映了表面的起伏，恒电流模式 n当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品仅纳米高度，恒高度模式扫描会使

6、针尖撞仅纳米高度，恒高度模式扫描会使针尖撞击样品表面造成针尖损坏，此时可将针尖击样品表面造成针尖损坏，此时可将针尖安放在压电陶瓷上，控制压电陶瓷上电压，安放在压电陶瓷上，控制压电陶瓷上电压，使针尖在扫描中随表面起伏上下移动，在使针尖在扫描中随表面起伏上下移动，在扫描过程中保持隧道电流不变（即间距不扫描过程中保持隧道电流不变（即间距不变）压电陶瓷上的电压变化即反映了表面变）压电陶瓷上的电压变化即反映了表面的起伏。的起伏。.扫描隧道显微镜结构 nI could not stop looking at the images. It was like entering a new world . Th

7、is appeared to me as the unsurpassable highlight of my scientific career and therefore ,in away, it is end. Heini realized my mood and whisked me away for some days to St.antonien, a Charming village high up in the Swiss mountains, where we wrote the paper on 7*7n-G,Binning古今之成大事业、大学问者，必经过三种之境界n昨夜西风

8、凋碧树。独上高楼望尽天涯路n衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴n众里寻他千百度，募然回首，那人却在灯火阑栅处原子力显微镜（原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM） nLateral Force Microscopynthe BakerClean JTB-1003 leaves a surface topography that is statistically indistinguishable from that of the initial wafer. nOn the other hand, the RCA-based Standard Clean not only increases the microroughness but also changes other topographical features