扫描隧道显微镜和原子力显微镜 STM与AFMppt课件

1、 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope Scanning Tunneling Microscope (STM)(STM)Introduction在科学开展史上直观地察看原子、分在科学开展史上直观地察看原子、分子不断是人们长期以来梦寐以求的愿子不断是人们长期以来梦寐以求的愿望。望。1982年年IBM公司苏黎士研讨实验公司苏黎士研讨实验室的室的Gerd Bining与与Heinrich Rohrer博博士研制出一种新型显微镜士研制出一种新型显微镜-扫描隧道显扫描隧道显微镜，终于使这一愿望成为现实。微镜，终于使这一愿望成为现实。诺贝尔奖：诺贝尔奖：

2、Ernst Ruska，Gerd Binnig和和Heinrich Rohrer从左至右分别由于发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而从左至右分别由于发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享分享1986年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖 原理经典电子实际：经典电子实际： 金属体内存在大量金属体内存在大量“自在电子，从自在电子，从经典物理学来说，这些经典物理学来说，这些“自在电子在金自在电子在金属体内能量分布如下图。在绝对零度时，属体内能量分布如下图。在绝对零度时，一切自在电子的能量都小于费米能级一切自在电子的能量都小于费米能级EF,EF,随着温度的升高，一部分电了的能量可以随着温度的升高，一部分电了的

3、能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的数大于费米能级，大于费米能级的电子的数量随着温度的升高而添加，另一方面经典量随着温度的升高而添加，另一方面经典物理学还以为在金属边境上存在着一个能物理学还以为在金属边境上存在着一个能量比费米能级量比费米能级EFEF高的位垒高的位垒，在金属内，在金属内“自在电子，只需能量高于位垒的那些自在电子，只需能量高于位垒的那些电子才能够从金属内部逸出到外部。电子才能够从金属内部逸出到外部。 原理原理量子力学：量子力学： 以为金属中的自在电子还具有动摇性，以为金属中的自在电子还具有动摇性，这种电子波这种电子波1向金属边境传播，在遇到向金属边境传播，在遇到外表位垒时，

4、部分反射为外表位垒时，部分反射为R，部分透过，部分透过为为T。这样，即使金属温度不是很高，。这样，即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金属外表位垒，构成仍有部分电子穿透金属外表位垒，构成金属外表上的电子云。这种效应称为隧金属外表上的电子云。这种效应称为隧道效应。道效应。Theory I: Quantum Barrierd/2 |x|for d/2 |x|for 0)(0VxV202/ )(2 )(EVmkeEPkdPotential barrierElectron (mass m, energy E) has finite probability of tunneling throughSc

5、hroedingers equation of motion0)(2)(0222xuEVmdxxud Applied voltage bias, V Tunneling electron gains energy eV Number of electrons that can tunnel depends on occupation on each sideTheory II: Tunneling Currentmetal 1metal 2insulatorzzEEspacekzzdEeVEfEfEPJconstant )()()(z隧道扫描显微镜的根本原理是基于量子的隧道效应。隧道扫描显微镜

6、的根本原理是基于量子的隧道效应。将原子线度的极细针尖和被研讨物质的外表作为将原子线度的极细针尖和被研讨物质的外表作为 两个电极，当样品与针尖的间隔非常接近时通常小两个电极，当样品与针尖的间隔非常接近时通常小于于1nm，在外加电场的作用下，电子会穿过两，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极。个电极之间的绝缘层流向另一个电极。 电流电流I、针尖与样品之间的间隔、针尖与样品之间的间隔S、平均功函数、平均功函数、针、针尖和样品之间的偏置电压尖和样品之间的偏置电压Vb：原理原理)exp()(21SAVSIb隧道电流强度与针尖与样品外表之的间隔非常敏感，隧道电流强度与针尖与样品

7、外表之的间隔非常敏感，假设间隔减小假设间隔减小0.1nm，电流将添加一个数量级。，电流将添加一个数量级。Si(7 X 7)外表单胞二聚体-吸附原子-堆积错位模型 计算机模拟结果 特点 扫描隧道显微镜是继透射电镜和场离子显微镜之后具有原子级分辨率的新一代显微镜。与已有的其它各种显微镜相比，它具有如下特性： 一STM具有空前的空间分辨率，其横向与纵向分辨率已分别到达0.1nm和0.01nm,完全可分辨单个原子。原子的典型尺寸为0.20.3纳米 特点二STM得到的是实空间中外表的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的外表构造察看，这种可实时察看的性能可用于外表分散等动态过程的察看；三STM可得到

8、外表单原子层的局域构造图象，这对于研讨部分的外表缺陷、外表重构、外表吸附物质的位置及形貌极其有效。四STM在真空、大气、溶液等环境中都能坚持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品外表的观测。这为生物样品的研讨提供了新途径。 特点五STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术。而且样品需求量很小毫微克，这为观测珍稀提供了便利。六在超高真空条件下，STM不仅可获得外表形貌的图象，还可经过扫描隧道谱STS研讨外表的电子构造。这对外表物理研讨很有用途。Modes of OperationConstant-Current ModeConstant-Height ModeTip height i

9、s constant: an x-y scan reveals a topographic image of the surface. better vertical resolution slower scanning may yield overall drift in x-y scan can be used for surfaces that arent atomically flatTip height is kept constant and tunneling current is monitored. very fast scans, reduces image distort

10、ion lower vertical resolution allows study of dynamic processes任务原理表示图任务方式在在STMSTM中把针尖装在压电陶瓷构成的三维扫描架上，中把针尖装在压电陶瓷构成的三维扫描架上，经过改动加在陶瓷上的电压来控制针尖位置，在针经过改动加在陶瓷上的电压来控制针尖位置，在针尖和样品之间加上偏压尖和样品之间加上偏压V V以产生隧道电流，再把隧道以产生隧道电流，再把隧道电流送回电子学控制单元来控制加在电流送回电子学控制单元来控制加在Z Z陶瓷上的电压，陶瓷上的电压，以保证在针尖扫描时样品针尖间距恒定不变。任以保证在针尖扫描时样品针尖间距恒定

11、不变。任务时在务时在X X、Y Y陶瓷上施加扫描电压，针尖便在外表上陶瓷上施加扫描电压，针尖便在外表上扫描。扫描过程中外表形貌起伏引起的电流的任何扫描。扫描过程中外表形貌起伏引起的电流的任何变化都会被反响到控制变化都会被反响到控制Z Z方向运动的压电陶瓷元，使方向运动的压电陶瓷元，使针尖能跟踪外表的起伏，以坚持电流恒定。记录针针尖能跟踪外表的起伏，以坚持电流恒定。记录针尖高度作为横向位置的函数尖高度作为横向位置的函数Z ZX X、Y Y就得到了样品就得到了样品外表态密度的分布或原子陈列的图像，这是外表态密度的分布或原子陈列的图像，这是STMSTM最常最常用的恒定电流的任务方式。用的恒定电流的任

12、务方式。它可用于察看外表形貌起伏较大的样品，而且经过它可用于察看外表形貌起伏较大的样品，而且经过加在加在Z Z方向陶瓷上的电压值推算外表起伏高度数值。方向陶瓷上的电压值推算外表起伏高度数值。 任务方式STMSTM的另一种任务方式为恒定高度方式，的另一种任务方式为恒定高度方式，如图。此时控制如图。此时控制Z Z陶瓷的反响回路虽然仍陶瓷的反响回路虽然仍在任务，但反响速度很慢，以致不能反在任务，但反响速度很慢，以致不能反映外表的细节，只跟踪外表大的起伏。映外表的细节，只跟踪外表大的起伏。这样，在扫描中针尖根本上停留在同样这样，在扫描中针尖根本上停留在同样的高度，而经过记录隧道电流的变化得的高度，而经

13、过记录隧道电流的变化得到外表态度密度的分布。普通的高速到外表态度密度的分布。普通的高速STMSTM便是在此方式下任务的。但由于在扫描便是在此方式下任务的。但由于在扫描中针尖高度几乎不变，在遇到起伏较大中针尖高度几乎不变，在遇到起伏较大的样品外表如起伏超越针尖样品间距的样品外表如起伏超越针尖样品间距0.50.51nm1nm，针尖往往会被撞坏，因此，针尖往往会被撞坏，因此这种方式只适宜丈量小范围、小起伏的这种方式只适宜丈量小范围、小起伏的外表。外表。STM ImagesIron on copper: patterned assembled using STM tipStanding waves c

14、aused by defects in copperImage from an STMIron atoms on the surface of Cu(111)STM存在的问题 在Vb和I坚持不变的扫描过程中，假设功函数随样品外表位置而异，也同样会引起探针与样品外表间距S的变化，因此也引起控制针尖高度的电压Vz的变化。如样品外表原子种类不同，或样品外表吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时STM给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品外表原子的起伏，而是外表原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。STM不能区分这两个要素。 利用外表功函数，偏置电压

15、与隧道电流之间的关系，可以得到外表电子态和化学特性的有关信息。 继STM之后，各国科技任务者在STM原理根底上又发明了一系列新型显微镜。如原子力显微镜AFM、摩擦力显微镜、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜BEEM、扫描隧道电位仪STP、扫描离子电导显微镜SICM、扫描近场光学显微镜SNOM和光子扫描隧道显微镜PSTM等。这些新型的显微镜可获得STM不能得到的有关外表的各种信息，对STM的功能有所补充和扩展。AFM 根本原理根本原理LaserSampleXYZ Piezoelectric ScannerPosition Sensitive PhotodiodeMirrorTipCantileverAFM 根本原理根本原理v丈量原子间相互作用力丈量原子间相互作用力0d)(d0d)(dd)(d)(2200mrrrrurrurrurfAFM 根本原理根本原理外表形貌像左不明晰，位相像右中高分辩率地察看到纤维的微观构造。运用位相检测系统外表形貌像左不明晰，位相像右中苯乙烯与丁二烯明晰地物相分離。运用位相检测系统 形貌以外的信息nLFM：横向力显微镜nCurrent Imaging：电流測定nPhase Imaging：位相检测nForce