扫描隧道显微镜stm

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1、扫描隧道显微镜目录1.STM的发明2.STM的原理3.STM的工作模式4.STM的工作环境5.STM的应用6.STM的优势7.STM的局限性1.STM的发明1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的GerdBinnig和HeinrichRohrer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，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，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

2、重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一；由于这一杰出成就Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。世界上第一台扫描隧道显微镜1.STM的发明2.STM的原理2.STM的原理隧道效应对于经典物理学来说，当一个粒子的动能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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。2.STM的原理图是STM的基本原理图，其主要构成有：顶部直径约为50

3、—100nm的极细金属针尖(通常是金属钨制的针尖)，用于三维扫描的三个相互垂直的压电陶瓷(Px，Py，Pz)，以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等。2.STM的原理扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)时，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。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关

4、：Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数A为常数，在真空条件下约等于1。Φ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2.STM的原理2.STM的原理隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，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方向起着扫描作用，而Z方向具有一套反馈系统，初始的隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起

5、时，针尖就会后退，以保持隧道电流的值不变；当样品表面凹进时，反馈系统将使针尖向前移动，计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维行貌图。3.STM的工作模式恒高模式x,y方向仍起着扫描的作用，而Z方向则保持水平高度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以给出高度的变化4.STM的工作环境大气和室温条件在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和(b)分别是在大气条件下用STM得到的Au(111)(金)2nm×2nm和MS2(二硫化钼)3nm×3nm表面的原于图像。对于在大气中容易

6、被氧化的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原子结构图像，而超高真空的环境是必要的。(a)(b)超高真空和室温条件在超高真空的条件下，STM可以用来观察所有半导体和金属样品表面的原子图。在超高真空腔内，可以用多种方法将样品表面清洁干净，如常用于金属表面清洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表面清洁处理的直接电流预热处理等。在超高真空中，清洁处理后的样品可以保持长时间干净，不被氧化。对样品表面原子结构进行重构后，就可以用STM观察样品表面的原子结构图像。图是Si(111)7x7(硅)表面的原子图像。其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流为

7、0.6nA。4.STM的工作环境超高真空和高温条件STM可以在高温的条件下工作，这对于观察半导体和金属等材料表面的高温相变是非常重要的。高温工作的STM必须具备十分良好的温度补偿功能，否则，样品表面的温度漂移将使我们无法看到相同区域的原子表面结构。图是在860OC时用STM实时地观察S(111)表面上形成7x7结构的重构过程。从图中可以看到，大部分7x7结构已经形成，但是在图的右上角区域尚未完成表面原子的重构。4.STM的工作环境超高真空和低温条件温度对于材料表面上原子和分子的稳定性是一个非常重要的条件。例如，在室温时，金属材料表面上的金属原子大多不稳定

8、，而吸附在样品表面上的C60分子更是始终在旋转着，无法稳定。同时，材料的电子特性