纳米材料的表征方法之STM和AFM课件

1、第二章 纳米材料的表征方法之STM和AFM扫描隧道显微镜（STM）（一）STM（Scanning Tunneling Microscopy）发明者： Dr. G.Binning, Dr. H.RohrerIBM苏黎世实验室，1978年开始，1982年，获得CaIrSn4单晶单原子台阶像1983年，获得第一张，Si(111)-77表面重构像1986年，两位博士与E.Ruska一起，获Nobel物理学奖实验条件：非常广泛气氛：大气、真空、溶液、惰性气体、反应性气体温度：绝对零度到摄氏数百度STM（二）STM的应用：表面结构观测：原子级空间分辨率，表面物理和化学过程，生物体系。纳米结构加工：操纵原子

2、和分子，制备纳米尺度的超微结构。STM（三）-原理：隧道效应经典力学：当粒子的能量低于势垒高度时，粒子被束缚，无法穿越势垒（穿越的几率为零）。量子力学：低能量粒子穿越势垒的束缚，出现在势垒之外几率大于零；微观粒子波动性的表现隧道效应显著出现的条件：势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长相当。遂穿过程遵守能量守恒和动量（或准动量）守恒定律。STM（四）-隧道效应一维的金属-真空-金属隧道结金属-真空-金属隧道结模型：金属之一代表STM的针尖，另一代表被测样品，简化假设：针尖和样品的逸出功相同（）STM（五）-隧道电流以上图的金属-真空-金属系统为例，在偏压V的条件下，隧道电流近似为：IVs(0,EF)

3、e-1.02-1/2为金属逸出功， 4eVs(0,EF)为样品表面EF处的局域态密度衰减系数为0.51-1/2 1埃-1电流的衰减速度，每埃约为e2倍（7.4倍），非常快。这是STM高的空间分辨率（原子级）的物理起因。STM（六）-工作原理针尖和样品的距离在1nm左右或更小恒高模式：高度不变，记录隧道电流，通过电流大小反应高度变化。限制：对样品表面要求很高。恒电流模式：遂道电流不变，记录针尖的上下运动轨迹。STM（七）-系统结构1、特点：近场成像2、精度控制: 极其严格。 高度：0.01挨 水平：0.1 埃3、压电陶瓷器件：1mV-1000V电压产生0.1nm到数um的位移。3、控制热漂移ST

4、M（七）-实验方法原子级的超高空间分辨能力：实现关键是STM针尖的几何形状。STM针尖状况：存在一定的不确定性，针尖偶然出现原子或原子簇的突起，获得可重复的图像仍是目前的首要问题。常用针尖材料：Pt-Ir（铂铱）针尖，W针尖针尖原子的电子态：d电子态比s电子态分辨率高STM（八）-实验方法样品制备：比较简单，适用于各种导电样品，或者将有机、生物、颗粒状物质固定在导电基底上。金属样品：避免环境中的污染物质，超高真空STM。半金属：石墨、过渡金属二硫化物、三硫化物。取新鲜表面既可。半导体：同金属物质，超高真空STM。绝缘体：先沉积金膜STM（九）-图像解释图像信息：隧道电流样品表面费米能级附近的局

5、域态密度样品表面的局域电子结构和遂穿势垒的空间变化。与原子核位置，即原子的高低没有直接关系。另外：STM针尖也有影响，即其电子结构影响了成像结果。图像起伏并不直接反映表面原子核的位置STM（十）-图像解释不同偏压下，反映了样品表面不同波函数的起伏，反映费米能级以上、或者以下的表面电子结构。图A：样品流向针尖，Si=Si二聚原子的最高占据轨道（键）成像，反映了 轨道的空间分布。图B ： 针尖流向样品。Si=Si二聚原子的最低未占据轨道（）成像。STM（十一）-图像解释针尖电子态的影响样品电子态和针尖电子态的卷积决定了隧道电流。因此，STM图像由样品表面和针尖两者的局域电子态决定。STM成像的倒易

6、原理：针尖和样品之间是微观对称的，两者之间的电子发生相互作用，并进行交换。或者用针尖态来探测样品态，或者用样品态来探测针尖态STM应用（十二）-表面结构观测STM应用（十三）-表面化学反应可原位研究表面上发生的各种化学反应。原位探针研究表面电化学过程（溶液条件）。控制局域电沉积制备纳米结构图形。STM应用（十四）-表面化学反应STM应用（十五）-信息存储热化学烧孔技术：STM隧道电流的焦耳热效应，诱导电荷转移复合物发生局部热化学反应。TEA：三乙胺，沸点89度。超高密度：面密度约1012bits/cm2问题：存取速度太慢。原子力显微镜（AFM）（一）STM的局限性：利用隧道电流研究表面电子结构

7、和形貌。必须保证有足够的隧道电流。因此，无法用来观测绝缘体或者有厚表面氧化层的样品。AFM（Atomin Force Microscope）发明者： Dr. Quate, Dr. Gerber, Standford Univ. 1986年1987年，获得高序热解石墨（HOPG）1987年，获得高序氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子图像。实验条件：非常广泛气氛：大气、真空、溶液、惰性气体、反应性气体温度：绝对零度到摄氏数百度ATM（二）- 应用表面结构观测：原子级空间分辨率，表面物理和化学过程，生物体系。纳米结构加工：操纵原子和分子，制备纳米尺度的超微结构和信息存储。力学性能研究：硬度、弹性、

8、塑性等表面微区摩擦性质研究ATM（三）-作用力相互作用力：对力敏感的探针与样品之间的相互作用力，非常微弱，约10-810-6N。虎克定律：F=KZ。 F为样品和针尖之间的作用力，K为微悬臂的力常数，Z微悬臂的形变。F与样品之间的作用力与距离直接相关。ATM（四）-工作原理恒力模式：保持作用力（即微悬臂的形变）不变，记录针尖上下运动轨迹，即获得表面形貌。使用最广泛。恒高模式：保持高度不变，直接测量微悬臂的形变量。限制：对样品表面要求很高。ATM（五）-系统结构ATM（六）-微悬臂不带针尖的SiO2微悬臂问题：易造成多点接触ATM（七）-微悬臂ATM（八）-操作模式图解接触模式：最常规操作，稳定、

9、分辨率高。不适用与生物大分子、低弹性模量物质。非接触模式：静电力或范德华力（长程作用力），分辨率低，应用较少。轻敲模式：微悬臂在共振频率附近做受迫振动，间断地敲击并接触样品，对样品的破坏最小，适用于大分子和生物样品。ATM（九）-提高成像能力和分辨率选择尖端曲率半径尽量小的针尖。减小针尖与样品之间的接触面积，减小放大效应。提高环境的洁净度，减少针尖和表面的污染，减少假像的产生。减小毛细管力的作用：真空测定、控制气氛、或采用溶液条件测定等。ATM（十）-实验方法样品制备：比较简单。保持高清洁度，表面无污染。纳米粉体样品：单层或亚单层分散并固定在基片上。生物样品：固定在基片上；为保持生物活性，大多

10、在溶液环境中测定。纳米薄膜样品：可直接测定。ATM应用（十一）-形貌测定ATM应用（十二）-电学性能课题讨论与思考题1、如何进行纳米材料尺寸及其分布的表征？2、如何对纳米材料的显微结构、结构缺陷进行表征？扫描隧道和原子力电子显微镜扫描隧道和原子力电子显微镜，是1986年诺贝尔物理学奖获得者宾尼和罗雷尔相继发明创造的。扫描隧道电子显微镜简称STM。在性能上，其分辨率通常在0.2nm左右，故可用来确定表面的原子结构。测量表面的不同位置的电子态、表面电位及表面逸出功分布。此外，还可以利用STM对表面的原子进行移出和植入操作，有目的地使其排列组合，这就使研制纳米级量子器件、纳米级新材料成为可能 扫描隧

11、道和原子力电子显微镜扫描隧道电子显微镜主要用于导体的研究，而原于力电子显微镜不仅用于导体的研究，也可用于非导体的研究。在制造原理上，两者的基础是相同的。 两者在应用上的主要区别：原子力电子显微镜简称AFM在真空环境下测量，其横向分辨率可达0.15nm，纵向分辨率达0.05nm，主要用于测量绝缘材料表面形貌。此外，用AFM还可测量表面原子间力、表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。扫描隧道显微镜 (STM)德国Omicron公司超高真空扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜法工作原理示意图:基本原理及功能 扫描隧道电子显微镜的原理不同于传统意义上的电子显微镜它是利用电子在原子间的量子隧穿效应。 将

12、物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原于间距离与隧穿电流关系相应。 通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。 基本原理及功能 原子力电子显微镜是在扫描隧道电子显微镜制造技术的基础上发展起来的。它是利用移动探针与原子间产生的相互作用力，将其在三维空间的分布状态转换成图像信息，从而得到物质表面原子及它们的排列状态 。 通常，把以扫描隧道和原子力电子显微镜为基础，兼带上述其他功能显微镜的仪器统称为原子力电子显微镜。扫描隧道和原子力电子显微镜一般扫描电子显微镜放大倍数为几十万倍透

13、射电子显微镜的放大倍数可达百万倍以上扫描隧道电子显微镜的放大倍数通常可达几千万倍用STM测量高定向热解石墨 应用举例 其它显微镜LFM激光力显微镜MFM磁力显微镜BEEM弹道电子发射显微镜可用于观察样品表面的起伏状态。由于其探针离表面较远，而且观察表面起伏的最小尺寸度约5nm，因此也可用来测量表面窄缝的内部特征。 分辨率优于25nm，主要用于观察磁场边界、磁场强度等，如可用于观察磁盘存贮的数据等 是由STM派生出来，用于研究薄居下界面性质并具有纳米空间分辨率的一种显微镜。通过BEEM图可以观察到界面结构以及由于界面结构的缺陷和界面双方元素的互扩散或化学作用形成的电子态不均匀性状态。 各种电镜的

14、比较 分辨 工作环境 对试样影响 检测深度 评价TEMSEMSTMAFMdd无0.2nmdddd低610nm0.01nm0.1nm高真空高真空大气,液体,真空中等小无损小于0.2m1m12原子层历史最久应用最广可观察原子整体形貌STM的改进与发展电镜应用实例怎样选择电镜SEM images of (a) unmodified CLD microspheres and (b) PNIPAAm/dextranhybrid particles. The scale bar is 20 mm.Macromol. Rapid Commun. 2003, 24, 517521Topological and

15、 three-dimensional AFM images of the PPy microarrays Advanced Materials 2003,13,12,938-942Transmission electron micrographs of PBA/PMMA core/shell latexesJournal of Polymer Science: Part A Polymer Chemistry, Vol. 34,3183-3190 (1996)Tapping mode AFM height images of pDMS-b-pS-b-pDMSA brushesMacromol.

16、 Rapid Commun. 2003, 24, 10431059(a) Tapping mode AFM height image of SiO2-g-(pBA94-b-pMMA352) core-shell colloid with rubbery inner segment and glassy outer shell; (b) height images of same region as for (a) SiO2-g-(pBA94-b-pMMA352) ultrathin films imaged with increasing applied tapping force;Macro

17、mol. Rapid Commun. 2003, 24, 10431059SEM micrographs of (a) uncoated and (b-f) Ni-P-coated microspheres(50-100 m) at a magnification of 1000.Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 42, 27102723 (2004)TEM of silica colloid with silver coating Advanced Materials2004,14,No11TEM images

18、 of PEG-g-PAN/PS Particles化学学报2004年第62 卷 第6期Optical microscopy images of PNIPAAm/dextran hybrid particlesMacromol. Rapid Commun. 2003, 24, 517521Chem. Eur. J. 2004, 10, 4954 4959a) AFM image and b) TEM image of a methanol gel of 5(10 mgmL-1). AFM images of c) 5 and d) 4 prepared from a homogeneoussolution in CH2Cl2 (10 mgmL-1).Mac