STMSTS透射电子显微术ppt课件

1、外表与低维纳米构造的外表与低维纳米构造的STS谱谱王 兵中国科学技术大学2022年年5月月3日日是指扫描隧道显微术相关的谱学技术STM实验中有实验中有(x,y,z,V,I)五个变量。五个变量。 通常扫描图象时常坚持通常扫描图象时常坚持V恒定。恒定。 丈量丈量I(V)谱扫描隧道谱谱扫描隧道谱STS)时，时，V是变化的。是变化的。STM的任务方式的任务方式 恒流方式恒流方式 (V,I)=const. (x,y)/z,丈量电子态的空间分布丈量电子态的空间分布 等高方式等高方式 (V,Z)=const. (x,y)/I,丈量态的分布与奉献丈量态的分布与奉献 恒阻方式恒阻方式 可变间距方式可变间距方式

2、恒定平均电流方式恒定平均电流方式扫描隧道谱扫描隧道谱 STS隧道电流隧道电流I-V谱谱I-t 谱谱I-z 谱谱微分电导微分电导dI/dV-V谱谱二次微分二次微分d2I/dV2-V谱谱dI/dV 成像成像d2I/dV2成像成像STS谱包括谱包括扫描隧道镜扫描隧道镜 STM：Scanning Tunneling Microscopy反反响响回回路路扫描隧道镜扫描隧道镜 STM：Scanning Tunneling Microscopy针尖电极样品电极其中其中 扫描隧道谱学扫描隧道谱学 Scanning Tunneling Spectroscopy (STS)扫描隧道显微术扫描隧道显微术 STM关键

3、之处：电流或与电流相关信息的获取关键之处：电流或与电流相关信息的获取形貌信息获取形貌信息获取更多信息更多信息电流或与电流相关信息的获取电流或与电流相关信息的获取 I-V 谱谱 针尖电极针尖电极样品电极样品电极V=0, 无净电流探针与样品间的隧道电流丈量探针与样品间的隧道电流丈量无偏压条件无偏压条件 针尖电极针尖电极样品电极样品电极V=0, 无净电流V0, 电流由针尖流向样品探针与样品间的隧道电流探针与样品间的隧道电流针尖正偏压条件针尖正偏压条件 V0 针尖电极针尖电极样品电极样品电极V=0, 无净电流V0, 电流由针尖流向样品V0, 电流由样品流向针尖探针与样品间的隧道电流丈量探针与样品间的隧

4、道电流丈量针尖负偏压条件针尖负偏压条件 V Ec纳米结量子电容效应纳米结量子电容效应纳米结的电容丈量：量子电容效应纳米结的电容丈量：量子电容效应纳米结电容纳米结电容10 19 F, 如何准确丈量？如何准确丈量？Transport via a single dot or a single molecules原理：双纳米隧道结中的单原理：双纳米隧道结中的单电子隧穿充电能电子隧穿充电能E e2/C-1.0-0.50.00.51.0-800-4000400800Current(pA)Bias Voltage (V)I-V谱台阶宽度准确谱台阶宽度准确丈量丈量CNonclassical Behavior

5、in the Capacitance of a Nanojunction-1.2-0.8-0.40.00.40.81.2-1.8-1.2-0.60.00.61.21.82.4Set point: -1.8 V0.5 nA1 nA2 nA3 nA4 nA5 nA6 nA7 nA8 nA10 nA IR (V)Bias Voltage (V)A series of I-V curves taken at 5 K for a 4 nm Au cluster at different set point tunneling current. 改动针尖与样改动针尖与样品间的间隔品间的间隔 纳米结电容纳米

6、结电容 C d关系关系d-202468101214C01234C 1 /d量子电容器：量子电容器：d nm, A nm2d nm, A nm20.00.51.01.52.02.53.00.00.10.20.30.40.50.60.70.8 Experimental Classical capacitance C2Separation ( )DOSclC1C1RC量子电容量子电容证明了纳米结的量子电容效应证明了纳米结的量子电容效应 Phys. Rev.Lett. 2019 Appl.Phys.Lett. 2000 Phys. Rev. B. 2019 纳米结纳米结 量子电容效应量子电容效应M.A

7、. Reed, Science 278,252 (2019)B. Xu et al., Science 301, 1221 (2019)X. D. Cui et al., Science 294, 571 (2019)单分子导线的电导丈量单分子导线的电导丈量Dehydrogenated CoPc on Au(111)Science, 309, 1542 (2019)单分子的近藤效应Aviram and Ratner 提出的模型： D-AD-D-A D+-A D+- -A-A-单分子整流效应单分子整流效应长期存在争议长期存在争议R. M. Metzger, Chem. Rec. 4， 291 (

8、2019), Review单分子整流效应单分子整流效应ARAR型单分子整流器型单分子整流器 D- D-A-A单分子整流效应单分子整流效应质子化处置前质子化处置前(黑黑)和和去质子化处置后去质子化处置后(红红)质子化处置后质子化处置后G. M. Morales et al., J. Am. Chem. Soc. 127， 10456 2019单分子整流效应单分子整流效应单分子整流效应单分子整流效应ARAR型单分子整流器型单分子整流器 D- D-A-AElectron transport processEnergy level configurationElectron transport at

9、positive and negative biasPositive currentNegative current6Relatively small LUMO-HOMO gap is importantB. Wang et al. J. Phys. Chem. B, 2019单分子整流效应单分子整流效应基于单个基于单个C59N分子的整流效应分子的整流效应J. Zhao et al. Phys. Rev. Lett., 2019负微分电阻效应负微分电阻效应共振隧穿共振隧穿负微分电阻效应负微分电阻效应 NDRI(V)eVEWsEVEdESTVEfEf )( 22)()( 负微分电阻效应负微分电阻

10、效应 NDR负微分电阻效应负微分电阻效应 NDR量子点精细电子态量子点精细电子态U. Banin et al., Nature 400, 542 (2019)扫描隧道谱扫描隧道谱(STS)-量子点类原子能级量子点类原子能级 扫描隧道谱扫描隧道谱(STS)-量子点类原子轨道成像量子点类原子轨道成像 量子点精细电子态量子点精细电子态-1.0-0.50.00.51.0-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.6 B C D E dI/dV (arb. unit)Tunneling Current (nA)Bias Voltage (V) -1011.6 nm1.6 nm2.2 nm3 nm

11、2.5 nm4 nmdI/dV (arb. unit)Bias voltage (V)2 nm金属量子点中尺寸依赖的精细能级构造金属量子点中尺寸依赖的精细能级构造B. Wang et al., Phys. Rev. B 2019量子点中的新效应量子点中的新效应J.G. Hou, Phys. Rev. Lett. 2019非晶化对金属量子点中限域效应的抑制造用非晶化对金属量子点中限域效应的抑制造用电子态密度电子态密度直接成像，直接成像，结合空间分结合空间分辨率，同时辨率，同时实现能量与实现能量与空间分辨空间分辨提示提示DyC82富勒烯团簇的电子构造富勒烯团簇的电子构造经过经过dI/dV显微术在能

12、量空间分显微术在能量空间分辨条件下，实现对辨条件下，实现对DyC82分子进分子进展展“透视透视察看，并胜利确定碳察看，并胜利确定碳笼内金属原子的位置。笼内金属原子的位置。DyC82Phys. Rev. Lett. 2019 富勒烯分子富勒烯分子dI/dVdI/dV成像成像振动谱探测单分子构造振动谱探测单分子构造H.J. Lee and W. Ho, Phys. Rev. B 61, R16347 (2000). (a)为C2H2和C2D2的恒流像，(b)，(c)，(d)分别为同一区域在358mV，266mV，311mV下的d2I/dV2图像，左边的分子为C2H2，右边的分子为C2D2。C2H2

13、, C2H2 on Cu(100)Background difference d2I/dV2 spectra for C2H2 (1) and C2D2 (2), taken with the same STM tip, show peaks at 358 mV and 266 mV, respectively.B. C. Stipe, M. A. Rezaei, and W. Ho, Science, 280,1732 (2019) 部分烃类分子的二次微分谱比较，这些分子具有14个振动方式，其中C-H键的伸张振动方式占主导位置 W. Ho, J. Chem. Phys., 117, 1103

14、3 (2019) Science, 309, 1542 (2019)I-t 谱在选键化学中的运用可控的CoPc分子脱氢反响L.J. Lauhon and W. Ho, Phys. Rev. Lett. 84, 1527(2000) 多步单分子反响的鉴别与支配多步单分子反响的鉴别与支配 Oxidation of a Single Carbon Monoxide MoleculeCarbon Monoxide MoleculeHahn et.al., Phys.Rev.Lett., 87, 66102(2019)多步单分子反响的鉴别与支配多步单分子反响的鉴别与支配 K.D.Wang et al.

15、Phys. Rev. Lett. 94, 036103(2019) I-t 谱在外表物理中的运用Cu原子在Si(111)-(77)外表的分散a，208K温度下，分别在Si(111)-(77)外表的边位置Center和角位置Corner采集的I-t谱，其中高电流脉冲阐明Cu原子运动到针尖下方。b，驻留事件数目随时间衰减统计直方图 L. Limot et al. Phys. Rev. Lett. 94, 126102(2019) I-z谱运用Atom Transfer and Single-Adatom ContactsI-z谱运用功函数丈量总结 I-V 谱和微分电导谱反映了电子局域态密度在不同能

16、量下谱和微分电导谱反映了电子局域态密度在不同能量下的分布，的分布，dI/dV图像那么近似反映了某一能量下电子局域图像那么近似反映了某一能量下电子局域态密度在实空间的分布。态密度在实空间的分布。二次微分谱和二次微分谱和d2I/dV2图像可以用来研讨分子的振动态。图像可以用来研讨分子的振动态。 I-t谱可以用来研讨外表化学反响和外表分散运动谱可以用来研讨外表化学反响和外表分散运动 I-z谱可以用来丈量外表功函数，实现原子接触等谱可以用来丈量外表功函数，实现原子接触等电子自旋、光、磁场等单分子或量子点相关新效应单分子或量子点相关新效应结合能量、空间、时间的高分辨结合能量、空间、时间的高分辨原子或元素

17、识别？！原子或元素识别？！谢 谢！ Simmons 实际实际(经典近似方法经典近似方法) WKB来研讨势垒隧穿问题来研讨势垒隧穿问题(曾曾 卷卷 P105) 令解的方式为令解的方式为 0 = Jacobi-Hamilton式式 EVm 222)/)(exp()(zisz VEdzsdmidzdsm 22221)(21VEdzdsm 2)(21 22210)(szszszs)(22exp()( badzVEmED 00301)()(4)()( dEEfEDdEmdVEDVnNmmEzzVzzz 0032)(*)(4 dEeVEfEDdEmNmEzz21NNN )exp()()exp(2seVAeVsAscI j jj jj jj jV偏压，偏压， 平均功函数，平均功函数，s间距，间距，A、C常数常数 j)exp(21,seVAIeV j jj j这正是这正是STMSTM的任务原理！的任务原理！ Bardeen 公式公式 1960年年Bardeen利用多体实际开展了时间相关微扰实际，可利用多体实际开展了时间相关微扰实际，可以计算电子从一个电极样品以计算电子从一个电极样品Es,s转移到另外一个电极针尖转移到另外一个电极针尖Et,t的速率，由电子转移速率由费米黄金定那么来确定参见的速率，由电子转移速率由费米黄金定那么来确定参见 第三版曾谨言第三版曾谨言 卷卷P