扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍

扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，STM）原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,

AFM）报告人：董卫民施淑颖1.STM的发明1982年，国际商业机器企业(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其有关的物理和化学特征。所以，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公觉得20世纪80年代世界十大科技成就之一；因为这一杰出成就宾尼和罗雷尔取得了1986年诺贝尔物理奖。葛·宾尼海·罗雷尔世界上第一台扫扫描道显微镜2.STM的原理扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一种粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子能够穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效应。2.STM的原理隧道效应是因为粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会明显。经计算，透射系数T为：由公式可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。伴随势垒厚(宽)度a的增长，T将指数衰减，所以在一般的宏观试验中，几乎观察不到粒子隧穿势垒的现象。2.STM的原理隧穿电流STM是将原子程度的极细探针和样品的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(一般不不小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧穿电流，其大小为：V是加在针尖和样品之间的偏置电压A为常数，在真空条件下约等于1Φ为物质表面的平均功函数S是针尖和样品之间距离I是隧道电流隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增长约一种数量级。所以，当探针在样品表面扫描时根据隧穿电流的变化，我们能够得到样品表面微小的高下起伏变化的信息，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。3.STM的工作模式恒流模式x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在统计纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且能够经过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。3.STM的工作模式恒高模式在扫描过程中保持针尖的高度不变，经过统计隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式一般用来测量表面形貌起伏不大的样品。3.STM的仪器构造STM由具有减振系统的头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和计算机构成。压电陶瓷或晶体因为仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用一般机械的控制是极难达成这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。3.STM的仪器构造所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多晶体，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简朴的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。图中为三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，在电场的作用下三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动，从而控制针尖在样品表面进行高精度的扫描。4.STM的应用“看见”了此前所看不到的东西STM具有惊人的辨别本事，水平辨别率不不小于0.1纳米，垂直辨别率不不小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几种纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面的原子、分子状态清楚可见。4.STM的应用实现了单原子和单分子操纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，详细又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式。经过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。经过外加一电场，变化分子的形状，但却不破坏它的化学键能够实现单分子操纵。1990年，IBM企业的科学家展示了一项令世人震惊的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体原子构成“IBM”三个英文字母。

世界首例STM原子操纵4.STM的应用单分子化学反应已经成为现实单原子、单分子操纵在化学上是一种极具诱惑力且具有潜在应用“选键化学”，能够对分子内的化学键进行选择性的加工。一种直观的例子是由Park等人完毕的，他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一种联苯分子，完毕了一种完整的化学反应过程。在分子水平上构造电子学器件一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流伴随所施加的电压的增大而增长。但在单分子尺度下，因为量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把C60移到另一种C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他们取得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿构造。这项工作经过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件构造。此类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于迅速开关、震荡器和锁频电路等方面，这能够极大地提升电子元件的集成度和速度。5.STM的优缺陷优点具有极高的辨别率得到的是实时的、真实的样品表面的高辨别率图象使用环境宽松应用领域是广阔的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的缺陷扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够精确探测，与此有关的辨别率较差。扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观察的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。假如在样品表面覆盖导电层，则因为导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的辨别率。扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运营时要防振动，钨探针在潮湿的环境中易生锈。原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,AFM）1.AFM的发明AFM是在STM基础上发展起来的一类显微镜，经过探测极小探针与样品表面之间的相互作用力的大小而取得表面信息。1986，IBM，葛·宾尼发明了原子力显微镜(AtomicForceMicroscope)——新一代表面观察仪器。2.AFM的原理原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上探针与受测样品原子之间的作用力，从而达成检测的目的，具有原子级的辨别率。因为原子力显微镜既能够观察导体，也能够观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜的基本原理是：将一种对单薄力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，因为针尖尖端原子与样品表面原子间存在极单薄的排斥力，经过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂相应于扫描各点的位置变化，从而能够取得样品表面的形貌信息。3.AFM的工作模式接触模式(contactmode)非接触模式(non-contactmode)轻敲模式(tapping/intermittentcontactmode)3.AFM的工作模式针尖一直与样品接触并简朴地在表面上移动，针尖与样品间的相互作用力是相互接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小一般为10－8—10－11N。vanderWaalsforcecurve接触式优点：可产生稳定、高辨别图像。缺陷：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。3.AFM的工作模式非接触式针尖与样品间相互作用力是范德华吸引力。在针尖上加—小的振荡信号，针尖和样品间距是经过保持振幅恒定来控制的。优点：对样品无损伤

缺陷：辨别率要比接触式的低。图像数据不稳定。4.AFM的工作模式轻敲式vanderWaalsforcecurve

介于接触模式和非接触模式之间:其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5-100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。

特点：辨别率几乎同接触模式一样好；接触非常短暂，所以剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失。4.AFM的工作模式样片表面凝结的水滴对不同测试模式的干扰