第四章3 纳米科技

1982年宾尼和罗雷尔发明成功扫描隧道显微镜（Scaningtunnelingmicroscopy，STM）。STM不但空间分辨率高（横向0.1nm，纵向0.01nm），成为揭示原子、分子尺度的观察手段，而且是在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子的工具。一、扫描隧道显微镜（STM）录像：纳米科技与STM扫描隧道显微镜的工作原理基于量子隧道效应。由于电子具有波粒二象性，遵从量子力学运动规律，在其总能量低于势垒壁高时，也有一定的概率穿透势垒，在探针和试样表面间形成隧道电流。1、STM的工作原理和基本结构一、扫描隧道显微镜（STM）隧道电流的大小对于探针和试样表面的距离非常敏感，通过电子反馈电路使隧道电流保持恒定，并采用压电陶瓷材料控制探针沿试样表面扫描，这样探针在垂直于试样表面方向上的高低的变化就反应出试样表面的形貌分布和原子排列的图像。1、STM的工作原理和基本结构一、扫描隧道显微镜（STM）

STM的基本结构包括：①探针与试样表面的逼近装置；②保持隧道电流恒定的电子反馈电路；③显示探针在z方向位置变化的显示器；④操纵探针沿试样表面x方向和y方向运动的压电陶瓷扫描控制器及位置显示器；⑤数据采集系统和图像处理系统。1、STM的工作原理和基本结构一、扫描隧道显微镜（STM）2、STM的主要应用和优、缺点一、扫描隧道显微镜（STM）

STM有原子量级的极高分辨率，其垂直和平行于表面方向的分辨率分别为0.01nm和0.1nm，能够分辨出单个原子；

STM能够实时地给出表面的三维图像，可以测量具有周期性或不具备周期性的表面结构；

STM可在不同环境条件下工作，包括真空、大气、低温，甚至将试样浸在水中或电解液中，所以非常适用于研究环境因素对试样表面的影响；2、STM的主要应用和优、缺点一、扫描隧道显微镜（STM）缺点：由于STM是通过隧道电流的作用而设计的，因此这种仪器仅能用于导体和半导体的表面形貌量测，对于非导体来说就必须给试样镀上导电膜，这就掩盖了试样表面的真实性，降低了STM的精确度；即使导电体材料的试样，当表面存在非单一电子态时，扫描隧道显微镜观察的并不是真实的表面形貌图像，而是表面形貌和表面电子性能的综合表现。二、原子力显微镜（AFM）1、工作原理和基本结构针尖装在一个对微弱力非常敏感的“微悬臂”上，使探针的针尖与试样表面仅有轻微的接触，通过与试样相连的X、Y压电陶瓷，控制试样（或探针）在X、Y方向扫描运动，使探针在试样表面上的相对位置改变。二、原子力显微镜（AFM）1、工作原理和基本结构由于试样表面的高低变化，使微悬臂自由端上的针尖也将随之有上下的运动，通过激光束可检测出微悬臂自由端在试样表面垂直方向的变形和位移情况，从而得到试样表面的形貌图像。二、原子力显微镜（AFM）1、工作原理和基本结构同时，根据微悬臂的弹簧刚度实现对探针尖端原子与试样表面原子之间作用力的测量。二、原子力显微镜（AFM）1、工作原理和基本结构

AFM的结构包括：①装有探针的力敏元件；②力敏元件的位移或变形的检测装置；③电子反馈电路；④压电陶瓷扫描控制器；⑤图像处理和显示系统。由微悬臂和探针组成的力敏元件是仪器的核心。二、原子力显微镜（AFM）2、分类根据测量微悬臂受力时弯曲位移方法的不同，通常采用隧道电流法、电容法和光学法三种：1）隧道电流法：隧道电流法基本上与STM类似，灵敏度可达到纳米级，但当微悬臂上产生隧道电流的部位被污染后将降低测量精度。二、原子力显微镜（AFM）2、分类根据测量微悬臂受力时弯曲位移方法的不同，通常采用隧道电流法、电容法和光学法三种：2）电容检测方法：将微悬臂与电容极板相连，微悬臂产生的位移变化使电容器极间距离变化，从而改变电容值，测出电容值的改变即可测出微悬臂纳米级的位移量。二、原子力显微镜（AFM）2、分类根据测量微悬臂受力时弯曲位移方法的不同，通常采用隧道电流法、电容法和光学法三种：3）光学检测法：利用光干涉法和激光束反射法，使光束射到微悬臂的背面，当针尖与试样表面产生了位移和变形时，反射光必然要偏转，就可以测出微悬臂的位移和形变。二、原子力显微镜（AFM）2、分类3）光学检测法：利用光干涉法和激光束反射法，使光束射到微悬臂的背面，当针尖与试样表面产生了位移和变形时，反射光必然要偏转，就可以测出微悬臂的位移和形变。二、原子力显微镜（AFM）3、主要应用

AFM的应用范围可以是导体、半导体也可以是细胞生物等样品；

AFM还能够探测样品表面的纳米机械性质和其它的表面力，如样品的定域粘附力或弹力等；二、原子力显微镜（AFM）3、主要应用

微观粘附性对许多物质有影响，如油漆、胶水、陶瓷和复合材料等等，及DNA的复制和药物在人体中的作用。弹力性质也很重要，无论是一般材料、复合材料，甚至人体血球、细胞体系等，测量AFM探针尖在接近和离开表面过程中作用力大小，恰好为在纳米尺度上研究这些重要参数提供了新的工具；二、原子力显微镜（AFM）3、主要应用

AFM微悬臂固定端垂直接近样品，之后又离开样品表面的过程中，微悬臂自由端形变的情况如图。据此可以提供表面上方电磁场的详细信息和样品表面粘弹性方面的信息。二、原子力显微镜（AFM）3、主要应用三、近场光学显微镜（NSOM）近场光学显微镜（又称扫描近场光学显微镜——Nera-fieldscanningopticalMicroscopy-NSOM）是与扫描隧道显微镜同时发展起来的超高分辨率的观察手段。这两种高空间分辨率技术的基本原理很相似，STM是基于隧道电子的探测，而近场光学显微镜是探测隧道光子。三、近场光学显微镜（NSOM）由于光子具有一些特殊的性质，如：没有质量、电中性、波长比电子波要长、容易改变偏振特性，可以在空气及许多介电材料中传播等，NSOM在纳米尺度的光学观察上起到STM、AFM所不能取代的作用。

三、近场光学显微镜（NSOM）由于光波的衍射效应，传统光学显微镜的分辨率不能超过光波长的一半。迄今为止，光学显微镜的观察距离均于>>λ的位置。然而任一材料的表面都存在一种“依附”于表面，强度随离表面距离的增加而迅速衰减、不能单独在自由空间存在的隐失波（evanescentwave）。1、近场光学基本原理和近场光学显微镜三、近场光学显微镜（NSOM）由隐失波构成的非传播场又称非辐射场，其特点是可沿表面（x-y）方向传播，而在垂直于表面方向（z方向）迅速消失，并以光的频率振荡。在非辐射场内包含有物质结构的细节（<<λ）信息，且用常规光学观察方法在远离（<<λ）表面处观察不到。在光的传播中存在着衍射过程，此时传播波和隐失波是共存的，只不过隐失波沿Z方向衰减的很快。1、近场光学基本原理和近场光学显微镜三、近场光学显微镜（NSOM）要克服衍射极限就要探测非辐射场，即把探