扫描隧道显微镜ppt课件

1、2.1.1 扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术 任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的任务的根底上的进化。扫描隧道显微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术了，只是分辨率较低。外表微观形貌的丈量，从原理上可以分为两类：第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉成像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相关涉仪。第二类是对试件外表进展扫描，逐点检测，从而获得外表微观形貌的信息，这一类检测方法的代表是外表轮廓仪和扫描电子显微镜SEM2.1 扫瞄隧道显微镜扫瞄隧道显微镜STM 光

2、学显微镜是在光学放大镜根底光学显微镜是在光学放大镜根底上发明的，放大镜的物体形貌分辨率上发明的，放大镜的物体形貌分辨率可到达可到达0.1mm。1665年发明了光学显年发明了光学显微镜，它可将被测物体放大数百倍。微镜，它可将被测物体放大数百倍。光学显微镜经过多次改良，如今的放光学显微镜经过多次改良，如今的放大倍数到达大倍数到达1250倍。假设再采用油浸倍。假设再采用油浸镜头或用紫外光，放大倍数还能在提镜头或用紫外光，放大倍数还能在提高一些。光学显微镜运用方便，运用高一些。光学显微镜运用方便，运用广泛，但受光波波长的限制，放大倍广泛，但受光波波长的限制，放大倍数无法再提高。数无法再提高。 TEM出

3、如今出如今20世纪世纪30年代，到年代，到50年代进入适用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理年代进入适用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理极为类似，只是用波长极短的电子束替代了可见光线，用静电或磁透镜替代光学玻璃透镜，最极为类似，只是用波长极短的电子束替代了可见光线，用静电或磁透镜替代光学玻璃透镜，最后在荧光屏上成像。后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高，点分辨率可达的放大倍数极高，点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达，线分辨率可达0.144nm，已达，已达原子级分辨率。用原子级分辨率。用TEM察看物体内部显微构造时，可看到原子陈列的晶格图像，并已察看到某察看物体内部显微构造时，可看

4、到原子陈列的晶格图像，并已察看到某些重金属原子的投影图像。用些重金属原子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。检测时，试件需放在真空室内。 TEM是经过电子是经过电子束透过试件而放大成像束透过试件而放大成像的，电子束穿透资料的的，电子束穿透资料的才干不强，故试件必需才干不强，故试件必需做得极薄，加工这种极做得极薄，加工这种极薄的试件有相当难度，薄的试件有相当难度，故故TEM的适用范围有限。的适用范围有限。 用探针对试件外表形貌进展接触丈量是一种古老的方法。随着丈量技术的提高，如今的丈用探针对试件外表形貌进展接触丈量是一种古老的方法。随着丈量技术的提高，如今的丈量外表粗糙度的轮廓仪，分

5、辨率达量外表粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了防止探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖以上。为了防止探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖曲率半径在曲率半径在0.05um左右，这就限制了丈量分辨率的提高，且丈量时针尖有一定力压向试件，容左右，这就限制了丈量分辨率的提高，且丈量时针尖有一定力压向试件，容易划伤试件。易划伤试件。 一些新式的轮廓仪一些新式的轮廓仪配备了配备了X、Y双向精细微双向精细微开任务台，探针在试件外开任务台，探针在试件外表进展表进展X、Y双向往复扫双向往复扫描，再用计算机处置信息，描，再用计算机处置信息，可以得到外表微观形貌的可以得到外表微观形貌的三维立体图像。这种轮廓三维

6、立体图像。这种轮廓仪的检测原理和近代的仪的检测原理和近代的STM、SPM和和AFM极为极为类似，只是后者运用了更类似，只是后者运用了更锋利的探针和更灵敏的探锋利的探针和更灵敏的探针位移检测方法。针位移检测方法。 SEM从从20世纪世纪60年代开场运用以来，运用日渐广泛。它的任务原理是利用高能量、细聚焦年代开场运用以来，运用日渐广泛。它的任务原理是利用高能量、细聚焦的电子束在试件外表扫描，激发二次放电，利用二次放电信息对试件外表的组织或形貌进展检的电子束在试件外表扫描，激发二次放电，利用二次放电信息对试件外表的组织或形貌进展检测、分析和成像的一种电子光学仪器。测、分析和成像的一种电子光学仪器。

7、SEM的放大倍率在的放大倍率在10-150 000范围内延续可调，试件在范围内延续可调，试件在真空室中可按察看需求进展升降、平移、旋转或倾斜。真空室中可按察看需求进展升降、平移、旋转或倾斜。 SEM在普通热钨在普通热钨丝电子枪条件下，分丝电子枪条件下，分辨率为辨率为5-6nm，如用，如用场发射电子枪，分辨场发射电子枪，分辨率可达率可达2-3nm。SEM的景深很大，对外表的景深很大，对外表起伏很大的形貌也能起伏很大的形貌也能得到很好的图像。只得到很好的图像。只是放大倍数较低，达是放大倍数较低，达不到原子级的分辨率。不到原子级的分辨率。 场发射原理在场发射原理在1956年由年由R.Young提出，

8、但直到提出，但直到1971年年R.Young和和J.Ward才提出了运用场发射原理的形貌描画仪。它在根本原理和操作上，才提出了运用场发射原理的形貌描画仪。它在根本原理和操作上，是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和向和Y向压向压电陶瓷驱动，做电陶瓷驱动，做X向和向和Y向扫描运动。试件装在下面的向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上，向压电陶瓷元件上，由反响电路控制，坚持针尖和试件间的间隔。由反响电路控制，坚持针尖和试件间的间隔。 R.Young运用的针尖曲率运用的针尖曲率半径为几十纳米，针尖和试件间的间隔为半径为几十

9、纳米，针尖和试件间的间隔为100nm。在试件上加正高压后，。在试件上加正高压后，针尖与试件间产生场发射电流。探针在试件外表扫描，可根据场发射电流针尖与试件间产生场发射电流。探针在试件外表扫描，可根据场发射电流的大小，检测出试件外表的形貌。的大小，检测出试件外表的形貌。 R.Young用形貌描画仪继续进展研讨，用形貌描画仪继续进展研讨，发现当探针尖与试件间间隔很近时，较小的外加偏压发现当探针尖与试件间间隔很近时，较小的外加偏压Vb即可产生隧道电即可产生隧道电流，并且隧道电流流，并且隧道电流Is的大小对间隔的大小对间隔z极为敏感。他们察看到的极为敏感。他们察看到的Is和和Vb间为间为线性关系时，估

10、计针尖线性关系时，估计针尖-试件间的间隔为试件间的间隔为1.2nm。惋惜他们的研讨到此为。惋惜他们的研讨到此为止，虽然曾经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，止，虽然曾经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项艰苦发明失之交臂，甚为惋惜。于一项艰苦发明失之交臂，甚为惋惜。 1982年，国际商业机年，国际商业机器公司器公司(IBM)苏黎世研讨所苏黎世研讨所的的Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer及其同事们胜利地及其同事们胜利地研制出世界上第一台新型研制出世界上第一台新型的外表分析仪器，即扫描的外表分析仪器，即扫描隧道显微镜隧道显微镜(Sc

11、anning Tunneling Microscope)，它使人类第一次可以直接它使人类第一次可以直接察看到物质外表上的单个察看到物质外表上的单个原子及其陈列形状，并可原子及其陈列形状，并可以研讨其相关的物理和化以研讨其相关的物理和化学特性。因此，它对外表学特性。因此，它对外表物理和化学、资料科学、物理和化学、资料科学、生命科学以及微电子技术生命科学以及微电子技术等研讨领域有着非常艰苦等研讨领域有着非常艰苦的意义和宽广的运用前景。的意义和宽广的运用前景。 STM的发明被国际科学界的发明被国际科学界公以为公以为20世纪世纪80年代世界年代世界十大科技成就之一；由于十大科技成就之一；由于这一出色成

12、就，这一出色成就，Binnig和和Rohrer获得了获得了1986年诺贝年诺贝尔物理奖。尔物理奖。 在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假设在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假设R.Young场场发射形貌描画仪的发明者可以及时认识到真空中隧道效应的重要发射形貌描画仪的发明者可以及时认识到真空中隧道效应的重要性，假设他能及时想到减少针尖与试件外表间的间隔，那么性，假设他能及时想到减少针尖与试件外表间的间隔，那么STM公公布发表时的发明人名字就是布发表时的发明人名字就是R.Young了。遗憾的是，他们没有认识了。遗憾的是，他们没有认识到这一点，更没有去缩短那一点微缺乏道的该死的微小间隔，于是

13、到这一点，更没有去缩短那一点微缺乏道的该死的微小间隔，于是他们发明的所谓形貌描画仪只能永远地在历史上被记载为一种最接他们发明的所谓形貌描画仪只能永远地在历史上被记载为一种最接近近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有，的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾仔细研讨改还曾仔细研讨改良他们的仪器，并实验过一些方法，但收效甚微。他曾一度想到了良他们的仪器，并实验过一些方法，但收效甚微。他曾一度想到了隧道效应，并还讨论了谱图学方向的运用，但唯独没有想到运用到隧道效应，并还讨论了谱图学方向的运用，但唯独没有想到运用到他的形貌描画以上。仅此一步没有深化下去，就使他们和一项艰苦他的形貌描画以上。仅此

14、一步没有深化下去，就使他们和一项艰苦科技发明失之交臂，而空自叹息。科技发明失之交臂，而空自叹息。 由于由于STM具有极高的空间分辨才干具有极高的空间分辨才干(平行方向的分辨率为平行方向的分辨率为0.04nm，垂直方向的分辨率到达，垂直方向的分辨率到达0.01nm)、它的出现标志着、它的出现标志着纳米技术研讨的一个最艰苦的转机，甚至可以说标志着纳米技纳米技术研讨的一个最艰苦的转机，甚至可以说标志着纳米技术研讨的正式起步，由于在此之前人类无法直接察看外表上的术研讨的正式起步，由于在此之前人类无法直接察看外表上的原子和分子构造，使纳米技术的研讨无法深化地进展。原子和分子构造，使纳米技术的研讨无法深化

15、地进展。 利用利用STM，物理学家和化学家可以研讨原子之间的微小，物理学家和化学家可以研讨原子之间的微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研讨生物细胞和染色体结合能，制造人造分子；生物学家可以研讨生物细胞和染色体内的单个蛋白质和内的单个蛋白质和DNA分子的构造，进展分子切割和组装手分子的构造，进展分子切割和组装手术；资料学家可以分析资料的晶格和原子构造调查晶体中原术；资料学家可以分析资料的晶格和原子构造调查晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家那么可以加工小至原子尺度的新子尺度上的缺陷；微电子学家那么可以加工小至原子尺度的新型量子器件。型量子器件。 图是图是STM的根的根本原理图，其主要本原理图，

16、其主要构成有：顶部直径构成有：顶部直径约为约为50100nm的的极细金属针尖极细金属针尖(通常通常是金属钨制的针尖是金属钨制的针尖)，用于三维扫描的三用于三维扫描的三个相互垂直的压电个相互垂直的压电陶瓷陶瓷(Px，Py，Pz)，以及用于扫描和电以及用于扫描和电流 反 响 的 控 制 器流 反 响 的 控 制 器(Controller)等。等。 STM的根本原理是量子的隧道效应。它利用金属的根本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖在样品的外表上进展扫描，并根据量子隧道效应针尖在样品的外表上进展扫描，并根据量子隧道效应来获得样品外表的图像。扫描隧道显微镜的针尖与样来获得样品外表的图像。扫描隧道显微

17、镜的针尖与样品外表的间隔非常接近品外表的间隔非常接近(大约为大约为0.5-1.0nm)，所以它们，所以它们之间的电子云相互重叠。当在它们之间施加一偏置电之间的电子云相互重叠。当在它们之间施加一偏置电压压Vb(Vb通常为通常为2mV-2V)时，电子就可以因量子隧道时，电子就可以因量子隧道效应由针尖效应由针尖(或样品或样品)转移到样品转移到样品(或针尖或针尖)，在针尖与样，在针尖与样品表而之间构成隧道电流。此隧道电流品表而之间构成隧道电流。此隧道电流I可以表示为：可以表示为：IVbexp(-k1/2s)式中：式中：k为常数，在真空条件下约等于为常数，在真空条件下约等于1； 为针尖与为针尖与样品的平

18、均功函数；样品的平均功函数；s为针尖与样品外表之间的间隔，为针尖与样品外表之间的间隔，普通为普通为0.3-1.0nm。 由于隧通电流由于隧通电流I与针尖和样品外表之间的间隔与针尖和样品外表之间的间隔s成指成指数关系，所以，电流数关系，所以，电流I对针尖和样品表而之间的间隔对针尖和样品表而之间的间隔s变化非常敏感。变化非常敏感。假设此间隔减小仅仅假设此间隔减小仅仅0.1nm，隧道电流，隧道电流I将会添加将会添加10倍；倍；反之，假设间隔添加反之，假设间隔添加0.1nm，隧道电流，隧道电流I就会减少就会减少10倍。倍。 STM有两种任务方式，恒电流方式和恒高度方式，如下图。有两种任务方式，恒电流方

19、式和恒高度方式，如下图。 恒电流方式是在恒电流方式是在STM图像扫描时一直坚持隧道电流恒定，它可以利用反响回图像扫描时一直坚持隧道电流恒定，它可以利用反响回路控制针尖和样品之间间隔的不断变化来实现。当压电陶瓷路控制针尖和样品之间间隔的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和和Py控制针尖在控制针尖在样品外表上扫描时，从反响回路中取出针尖在样品外表扫描的过程中它们之间间样品外表上扫描时，从反响回路中取出针尖在样品外表扫描的过程中它们之间间隔变化的信息隔变化的信息(该信息反映样品表由的起伏该信息反映样品表由的起伏)，就可以得到样品外表的原子图像。，就可以得到样品外表的原子图像。由于恒电流方式时，针尖是随着

20、样品外表形貌的起伏而上下挪动针尖不会由于由于恒电流方式时，针尖是随着样品外表形貌的起伏而上下挪动针尖不会由于外表形貌起伏太大而碰撞到样品的外表。所以恒电流方式可以用于察看外表形貌外表形貌起伏太大而碰撞到样品的外表。所以恒电流方式可以用于察看外表形貌起伏较大的样品。恒电流方式是一种最常用的扫描方式。起伏较大的样品。恒电流方式是一种最常用的扫描方式。STM有两种任务方式，恒电流方式和恒高度方式，如下图。有两种任务方式，恒电流方式和恒高度方式，如下图。 恒高度方式那么是一直控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样恒高度方式那么是一直控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息

21、品之间电流变化的信息(该信息也反映样品外表的起伏该信息也反映样品外表的起伏)，来绘制样品外表的原子，来绘制样品外表的原子图像。由于在恒高度方式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当外表形貌起伏图像。由于在恒高度方式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当外表形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度方式只能用于察看外表形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度方式只能用于察看外表形貌起伏不大的样品。不大的样品。 2.5.1大气和室温条件大气和室温条件 在大气的条件下，在大气的条件下，STM可可以用来察看无氧化层的干净样以用来察看无氧化层的干净样品外表。图品外表。图(a)和和(b)分别

22、是在大分别是在大气条件下用气条件下用STM得到的得到的Au (111) (金金)2nm2nm 和和MS2(二硫化二硫化钼钼) 3nm3nm外表的原于图外表的原于图像。对于在大气中容易被氧化像。对于在大气中容易被氧化的半导体或金属资料样品，将的半导体或金属资料样品，将不能够在大气中用不能够在大气中用STM得到它得到它们的外表原子构造图像，而超们的外表原子构造图像，而超高真空的环境是必要的。高真空的环境是必要的。(a)(b) 在超高真空的条件下，在超高真空的条件下，STM可以用来察看一切半导体和金属样品外表的原子图。在超高真空可以用来察看一切半导体和金属样品外表的原子图。在超高真空腔内，可以用多种

23、方法将样品外表清洁干净，如常用于金属外表清洁处置的离子枪轰击和常用于腔内，可以用多种方法将样品外表清洁干净，如常用于金属外表清洁处置的离子枪轰击和常用于半导体外表清洁处置的直接电流预热处置等。在超高真空中，清洁处置后的样品可以坚持长时间半导体外表清洁处置的直接电流预热处置等。在超高真空中，清洁处置后的样品可以坚持长时间干净，不被氧化。对样品外表原子构造进展重构后，就可以用干净，不被氧化。对样品外表原子构造进展重构后，就可以用STM察看样品外表的原子构造图像。察看样品外表的原子构造图像。(a)(b) 图图 (a)和和(b)是是Si(111)7x 7(硅硅)外表的原子图像。外表的原子图像。其中，它

24、们的扫描偏压分别为其中，它们的扫描偏压分别为+2V和和-2V；扫描电流一；扫描电流一样，都为样，都为0.6nA。 STM可以在高温可以在高温的条件下任务，这对的条件下任务，这对于察看半导体和金属于察看半导体和金属等资料外表的高温相等资料外表的高温相变是非常重要的。高变是非常重要的。高温任务的温任务的STM必需具必需具备非常良好的温度补备非常良好的温度补偿功能，否那么，样偿功能，否那么，样品外表的温度漂移将品外表的温度漂移将使我们无法看到一样使我们无法看到一样区域的原子外表构造。区域的原子外表构造。 图是在图是在860OC时时用用STM实时地察看实时地察看S(111)外表上构成外表上构成7x7构

25、造的重构过程。从构造的重构过程。从图中可以看到，大部图中可以看到，大部分分7x7构造曾经构成，构造曾经构成，但是在图的右上角区但是在图的右上角区域尚未完成外表原子域尚未完成外表原子的重构。的重构。 温度对于资料外表上原子和温度对于资料外表上原子和分子的稳定性是一个非常重要的条分子的稳定性是一个非常重要的条件。例如，在室温时，金属资料外件。例如，在室温时，金属资料外表上的金属原子大多不稳定，而吸表上的金属原子大多不稳定，而吸附在样品外表上的附在样品外表上的C60分子更是一分子更是一直在旋转着，无法稳定。同时，资直在旋转着，无法稳定。同时，资料的电子特性研讨在很多情况下也料的电子特性研讨在很多情况

26、下也要求低温的条件。要求低温的条件。 低温时，样品的原子外表构造低温时，样品的原子外表构造可以坚持非常稳定的形状。图是一可以坚持非常稳定的形状。图是一组低温组低温STM的系列图片。实验时，的系列图片。实验时，样品被液氯冷却到约样品被液氯冷却到约15OK的温度，的温度，每隔每隔45分钟扫描一幅图片。从图中分钟扫描一幅图片。从图中可以发现，样品的原子外表构造非可以发现，样品的原子外表构造非常稳定，从右到左的热飘移仅为每常稳定，从右到左的热飘移仅为每小时一个原子左右小时一个原子左右(0.3nm左右左右)。 化学反响大多是在溶液里进展的。图是化学溶液中液化学反响大多是在溶液里进展的。图是化学溶液中液/

27、固界面上原子和分子之间发生化固界面上原子和分子之间发生化学反响的表示。它是化学反响的重要过程。为了讨论这种发生在液学反响的表示。它是化学反响的重要过程。为了讨论这种发生在液/固界面上原子和分子尺固界面上原子和分子尺度的反响机理，可以任务在溶液中的度的反响机理，可以任务在溶液中的STM就成为一个极为重要的察看工具。近年来，公用于就成为一个极为重要的察看工具。近年来，公用于溶液中的高分辨溶液中的高分辨STM曾经研制胜利，并得到了极大的运用。曾经研制胜利，并得到了极大的运用。溶液中固溶液中固/液界面的原子和分子化学反响表示图液界面的原子和分子化学反响表示图 现仅列举两例来现仅列举两例来引见引见STM

28、在化学溶液在化学溶液中察看有机分子吸附中察看有机分子吸附在固体外表上的实验在固体外表上的实验结果。结果。 图是有机分子苯图是有机分子苯在在Rh(111)3x3(铑铑)外外表上的单层吸附结果。表上的单层吸附结果。实验时，在实验时，在0.01M(摩摩尔尔)的的HF(氢氟酸氢氟酸)溶液溶液里含有里含有0.25mM (毫摩毫摩尔尔)浓度的有机分子苯。浓度的有机分子苯。 图是另一种有机分子图是另一种有机分子卟啉在卟啉在I-Au(111)(碘碘-金金)外表上的单层吸附结果。外表上的单层吸附结果。实 验 时 ， 在实 验 时 ， 在 0 . 1 M 的的HClO4(高氯酸高氯酸)溶液里含溶液里含有有0.57

29、uM(微摩尔微摩尔)浓度浓度的有机分子卟啉。的有机分子卟啉。 任务在溶液中，能使任务在溶液中，能使STM的运用范围得以大的运用范围得以大大拓宽。这不仅有利于研大拓宽。这不仅有利于研讨液讨液/固界面上原子和分固界面上原子和分子之间的化学反响过程，子之间的化学反响过程，也非常有利于察看分子生也非常有利于察看分子生物学样品，由于很多活体物学样品，由于很多活体生物样品经常需求坚持在生物样品经常需求坚持在特定的营养液中。特定的营养液中。 综上所述，综上所述，STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空形状下任务。具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空形状下任务。对样品外表也没有特殊要求，可以观测单晶

30、、多晶、非晶以及纳米相样品。对样品外表也没有特殊要求，可以观测单晶、多晶、非晶以及纳米相样品。 STM的任务温度范围也非常宽，可以从液氦温度到上千度的高温。另外，的任务温度范围也非常宽，可以从液氦温度到上千度的高温。另外， STM还可以方便地与其他的外表分析和电子分析等仪器结合，使其运用范围更加宽广，还可以方便地与其他的外表分析和电子分析等仪器结合，使其运用范围更加宽广，更加有效。总之，近年来，更加有效。总之，近年来， STM的运用曾经将纳米技术的研讨推到了一个崭新的运用曾经将纳米技术的研讨推到了一个崭新的阶段，它的进一步运用，对纳米技术今后更深化的开展来说将是至关重要的。的阶段，它的进一步运

31、用，对纳米技术今后更深化的开展来说将是至关重要的。 运用运用STM，人们在物理、化学、资料、生物等学科领域都得到了广泛而深，人们在物理、化学、资料、生物等学科领域都得到了广泛而深化的普及，获得了一系列重要研讨成果。特别在资料外表的重构，外表原子的吸化的普及，获得了一系列重要研讨成果。特别在资料外表的重构，外表原子的吸附和脱附，薄膜生长的物理机制以及资料外表电子态的构造等许多方面的研讨都附和脱附，薄膜生长的物理机制以及资料外表电子态的构造等许多方面的研讨都获得了突破性的进展。除了可以用于察看外表原子构造形貌图以外，获得了突破性的进展。除了可以用于察看外表原子构造形貌图以外， STM更可更可以作为

32、有效的工具来支配外表上的单个原子，加工原子及纳米尺度的人工构造，以作为有效的工具来支配外表上的单个原子，加工原子及纳米尺度的人工构造，这为今后的纳米电子学器件的加工提供了一个极为重要的手段。这部分内容将在这为今后的纳米电子学器件的加工提供了一个极为重要的手段。这部分内容将在第第4章作详细引见。章作详细引见。 当然，当然，STM的运用也存在一定的限制。从它的任务原理中我们知道，的运用也存在一定的限制。从它的任务原理中我们知道， STM任务时必需实时地检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于察看导任务时必需实时地检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能用于察看导体和半导体等导电资料的外

33、表构造。对于绝缘体资料，由于无法产生隧道电流，体和半导体等导电资料的外表构造。对于绝缘体资料，由于无法产生隧道电流， STM也就无能为力了。稍后发明的原子力显微镜也就无能为力了。稍后发明的原子力显微镜(AFM)虽然分辨率比虽然分辨率比STM略低，略低，但可以用于察看包括绝缘体资料在内的外表原子构造，因此拓宽了但可以用于察看包括绝缘体资料在内的外表原子构造，因此拓宽了STM研讨的资研讨的资料范围。将在第料范围。将在第3章详细引见章详细引见AFM技术。技术。 STM的针尖的针尖(tip)制造技术是提高制造技术是提高STM图像分辨率的关键技术之图像分辨率的关键技术之一，从一，从STM一创培育不断被人

34、们广泛关注。多年来，人们在不断讨一创培育不断被人们广泛关注。多年来，人们在不断讨论论STM针尖的制备和清洁处置等方法，由于针尖末端的曲率半径大针尖的制备和清洁处置等方法，由于针尖末端的曲率半径大小、外形、稳定性以及清洁度都会直接影响到小、外形、稳定性以及清洁度都会直接影响到STM的图像分辨率和的图像分辨率和所测定的样品外表的电子态。虽然评价针尖质量好坏的参数很多，但所测定的样品外表的电子态。虽然评价针尖质量好坏的参数很多，但其中以稳定性和清洁度最为关键。稳定的针尖其中以稳定性和清洁度最为关键。稳定的针尖(指针尖最末端的那个指针尖最末端的那个原子能在原子能在STM的强大电场条件下稳定的强大电场条

35、件下稳定)才可以在针尖扫描时不出现变才可以在针尖扫描时不出现变化，得到稳定的隧道电流。清洁的针尖阐明没有污染物或氧化物吸附化，得到稳定的隧道电流。清洁的针尖阐明没有污染物或氧化物吸附在针尖上，这样的针尖具有良好的化学同一性和高的功函数。假设针在针尖上，这样的针尖具有良好的化学同一性和高的功函数。假设针尖的清洁度不好，外表上常有一层较厚的氧化层和残留的外来原子，尖的清洁度不好，外表上常有一层较厚的氧化层和残留的外来原子，而氧化层和这些外来原子的阻值能够会高于隧道间隙的阻值，这将导而氧化层和这些外来原子的阻值能够会高于隧道间隙的阻值，这将导致针尖和样品之间无法产生隧道电流而不得不在反响控制的作用下

36、将致针尖和样品之间无法产生隧道电流而不得不在反响控制的作用下将针尖移向样品，直到碰撞到样品为止。当然，用这样的针尖测得的扫针尖移向样品，直到碰撞到样品为止。当然，用这样的针尖测得的扫描隧道谱，也不能反映该局域的电子态信息。描隧道谱，也不能反映该局域的电子态信息。 对于仅仅用于图像扫描的针尖来说任何清洁和稳定对于仅仅用于图像扫描的针尖来说任何清洁和稳定的针尖都可以得到较高的原子分辨图像，对针尖末端曲率的针尖都可以得到较高的原子分辨图像，对针尖末端曲率半径的要求并不非常苛刻。这是由于，根据半径的要求并不非常苛刻。这是由于，根据STM的任务原的任务原理，隧道电流与针尖和样品外表之间的间隔成指数关系，

37、理，隧道电流与针尖和样品外表之间的间隔成指数关系，间隔减小仅仅间隔减小仅仅0.1nm(数分之一的原子尺寸数分之一的原子尺寸)，隧道电流将会，隧道电流将会添加添加10倍。因此，针尖扫描时，绝大部分隧道电流将会经倍。因此，针尖扫描时，绝大部分隧道电流将会经过针尖上最突出的那个原子，其他相对较远的原子对隧道过针尖上最突出的那个原子，其他相对较远的原子对隧道电流不会产生太大的影响。例如，实验时经常发现，针尖电流不会产生太大的影响。例如，实验时经常发现，针尖撞击到样品弯曲后依然可以得到很好的原子分辨图像，这撞击到样品弯曲后依然可以得到很好的原子分辨图像，这是由于即使针尖被撞弯曲后依然会有一个较突出的原子

38、在是由于即使针尖被撞弯曲后依然会有一个较突出的原子在针尖的新的末端，而这个原子将主导隧道电流的构成。针尖的新的末端，而这个原子将主导隧道电流的构成。在在STM图像扫描的过程中用图像扫描的过程中用SEM实时察看针尖的实践形状实时察看针尖的实践形状a)弯曲针尖显微图片；弯曲针尖显微图片； b)用此针尖获得的具有原子级分辨率的用此针尖获得的具有原子级分辨率的Si(111)-77原子图像原子图像 图是一个实例。图图是一个实例。图 (a)中弯曲的中弯曲的W针尖是用安装在针尖是用安装在STM真空腔内的真空腔内的SEM得到的实时显微得到的实时显微图片、图片、SEM观测针尖图片时，该针尖正在扫描并获得了原子分

39、辨率的观测针尖图片时，该针尖正在扫描并获得了原子分辨率的Si(111)-77图像，如图像，如图图(b)所示。但是，对于起伏较大的样品外表，那么必需运用锋利的针尖。末端比较钝或弯所示。但是，对于起伏较大的样品外表，那么必需运用锋利的针尖。末端比较钝或弯曲的针尖，在凹凸不平的外表上极能够出现多个原子同时产生大小相近的隧道电流的倩况曲的针尖，在凹凸不平的外表上极能够出现多个原子同时产生大小相近的隧道电流的倩况(多针尖效应多针尖效应)，使，使STM无法得到准确的原子分辨图像。无法得到准确的原子分辨图像。 对于用于外表原子支配和超微加工的针尖来说，对针尖的要求将变得非对于用于外表原子支配和超微加工的针尖

40、来说，对针尖的要求将变得非常苛刻。由于利用电场蒸发进展原子支配和加工时，电场的大小与针尖和样品常苛刻。由于利用电场蒸发进展原子支配和加工时，电场的大小与针尖和样品外表之间的间隔仅为倒数关系：外表之间的间隔仅为倒数关系： E=Vb/s式中，式中，E为电场强度，为电场强度， Vb 为针尖与样品外表之间的偏置电压；为针尖与样品外表之间的偏置电压；s为针尖与样品为针尖与样品外表之间的间隔，普通为外表之间的间隔，普通为0.31.0nm；电场强度通常高达；电场强度通常高达109V/m。 间隔增大或减小数分之一的原子尺寸间隔增大或减小数分之一的原子尺寸(0.050.1nm)，产生的电场强度差，产生的电场强度

41、差别不会太大；针尖末端的全部微小针尖别不会太大；针尖末端的全部微小针尖(图中末端的黑色原子图中末端的黑色原子)，都可以产生强，都可以产生强度几乎一样的电场来支配外表上原子。显然，这种针尖不能用于单原子的支配。度几乎一样的电场来支配外表上原子。显然，这种针尖不能用于单原子的支配。所以，对用于原子支配和超微加工的针尖来说，应该具有尽量小的末端曲率半所以，对用于原子支配和超微加工的针尖来说，应该具有尽量小的末端曲率半径并有一个原子特别突出。这种金字塔形的针尖就是我们通常讲的单原子针径并有一个原子特别突出。这种金字塔形的针尖就是我们通常讲的单原子针尖尖(或称为纳米针尖或称为纳米针尖)。单原子针尖施加到

42、外表上的电场将主要集中在针尖末端。单原子针尖施加到外表上的电场将主要集中在针尖末端原子的下方，有利于对指定的单个原子的支配。这阐明，弯曲针尖是绝对不对原子的下方，有利于对指定的单个原子的支配。这阐明，弯曲针尖是绝对不对能用于原子支配和纳米加工的。能用于原子支配和纳米加工的。弯曲针尖表示图弯曲针尖表示图针尖末端的微小尺寸顶端的黑色原子，可以产生强度几乎针尖末端的微小尺寸顶端的黑色原子，可以产生强度几乎一样的电场一样的电场 STM针尖的制备方法主要有电化学腐蚀法和机械成型法等，而电化学腐蚀法又分为针尖的制备方法主要有电化学腐蚀法和机械成型法等，而电化学腐蚀法又分为直流直流(DC)法相交流法相交流(

43、AC)法。法。目前，运用最为广泛的针尖的资料是金属目前，运用最为广泛的针尖的资料是金属W(钨钨)丝。金属丝。金属W资料的硬度很高，用资料的硬度很高，用W制备的制备的针尖可以满足针尖可以满足STM的刚性要求。但是，由于的刚性要求。但是，由于W针尖在大气或水溶液中极易氧化，在其外针尖在大气或水溶液中极易氧化，在其外表构成表构成WO3(三氧化钨三氧化钨)薄层，不利于隧道电流的产生，因此薄层，不利于隧道电流的产生，因此W针尖只适用于真空的环境针尖只适用于真空的环境中。为了除去中。为了除去WO3薄层，薄层，W针尖在运用之前，还必需进展特殊的清洁处置。针尖在运用之前，还必需进展特殊的清洁处置。 在大气和液

44、体中运用的针尖通常采用不易氧化的金属在大气和液体中运用的针尖通常采用不易氧化的金属Pt(铂铂)资料来制备。由于资料来制备。由于Pt资料资料较软，为了添加其刚性，常用的方法是在较软，为了添加其刚性，常用的方法是在Pt 中参与少量的中参与少量的Ir(铱铱)资料。制成资料。制成Pt-Ir合金丝线合金丝线资料。用资料。用Pt-Ir合金丝可以制备出刚性较好而又不易合金丝可以制备出刚性较好而又不易 氧化的氧化的Pt-Ir针尖。金属针尖。金属Au(金金)也不易氧化，可以用于大气和溶液中。但是，由于也不易氧化，可以用于大气和溶液中。但是，由于Au很软且没有好方法加强它的刚性，同时，很软且没有好方法加强它的刚性

45、，同时，Au资料的电场蒸发阈值较资料的电场蒸发阈值较W和和Pt-Ir等其他常用等其他常用的针尖资料要低，的针尖资料要低，Au针尖上的针尖上的Au颗粒在电场的作用下较容易堆积到样品外表上，使颗粒在电场的作用下较容易堆积到样品外表上，使Au针尖不如其他针尖稳定。因此，针尖不如其他针尖稳定。因此，Au针尖远没有针尖远没有Pt-Ir针尖运用得那么广泛。当然，针尖运用得那么广泛。当然， Pt-Ir针针尖和尖和Au针尖也可以用于真空的环境，但由于它们的刚性不如针尖也可以用于真空的环境，但由于它们的刚性不如W针尖，在真空中运用那么针尖，在真空中运用那么不如不如W针尖。针尖。 近年来，碳纳米管的制备和特性研讨

46、获得了很大的进展，不少研讨人员先后胜利地近年来，碳纳米管的制备和特性研讨获得了很大的进展，不少研讨人员先后胜利地制备出碳纳米管针尖，用作制备出碳纳米管针尖，用作STM针尖及第针尖及第3章要引见的章要引见的AFM(原子力显微镜原子力显微镜)微悬臂的针尖。微悬臂的针尖。碳纳米管针尖具有许多优点运用日益广泛。碳纳米管针尖具有许多优点运用日益广泛。 钨针尖的电化学腐钨针尖的电化学腐蚀方法通常是采用金属电蚀方法通常是采用金属电极的阳极溶解，其工艺是极的阳极溶解，其工艺是20世纪世纪50年代为了制备年代为了制备场离子显微镜场离子显微镜(FIM)的针的针尖样品而开展起来的。尖样品而开展起来的。 按照所加的电

47、势不同，按照所加的电势不同，电化学腐蚀方法又分为直电化学腐蚀方法又分为直流流(DC)法和交流法和交流(AC)法。法。这两种方法制备的针尖外这两种方法制备的针尖外形有很大的的区别，普通形有很大的的区别，普通来说，来说，AC法的针尖呈圆法的针尖呈圆锥体外形，针尖的外表比锥体外形，针尖的外表比较粗糙，有明显的腐蚀沟较粗糙，有明显的腐蚀沟槽，其典型外形如下图。槽，其典型外形如下图。DC法的针尖是双曲线体法的针尖是双曲线体外形，针尖比外形，针尖比AC法制备法制备的 更 锋 利 ， 更 顺 应 于的 更 锋 利 ， 更 顺 应 于STM的高分辨成像。的高分辨成像。 直流法的安装示于图电解池中装有直流法的安

48、装示于图电解池中装有2M的的NaOH或或KOH溶液，电解池中溶液，电解池中央插入要腐蚀的钨丝作为阳极，其上瑞固定在一个微调螺杆上，使其相对央插入要腐蚀的钨丝作为阳极，其上瑞固定在一个微调螺杆上，使其相对于液面的位置可以较精细地调理对电极于液面的位置可以较精细地调理对电极(阴极阴极)是一个围在阳极外面的用不是一个围在阳极外面的用不锈钢片弯成的圆筒或一个不锈钢丝圈当在阳极上加约锈钢片弯成的圆筒或一个不锈钢丝圈当在阳极上加约13V的直流电压时，的直流电压时，在阴极与溶液的固在阴极与溶液的固/液界面处看到有气泡产生，这时发生以下反响：液界面处看到有气泡产生，这时发生以下反响：阴极：阴极：6H2O十十6e-3H2十十6OH-阳极：阳极：W十十8OH-WO42-十十4H2O十十6e- W十十2OH-十十2H2OWO42-十十3H2 当金属丝一端插入到电解液中时，水溶液的外表张力使得在金属丝周围当金属丝一端插入到电解液中时，水溶液的外表张力使得在金属丝周围构成一个弯液面弯液面的外形决议了针尖的纵横比和整体外形弯液面构成一个弯液面弯液面的外形决议了针尖的纵横比和整体外形弯液面越短纵横比越小为了减小在扫描时针尖振动的影响，应运用小纵横比越短纵横比越小为了减小在扫描时针尖振动的影响，应运用小纵横比的针尖随着反响