STMSTS透射电子显微术

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1、表面与低维纳米结构的STS谱王兵中国科学技术大学2021年7月23日报告内容1.什么是扫描隧道谱学技术-STS？内容、原理、STS谱反映的信息等2.为什么要研究STS谱？优势与不足3.如何测量STS谱？实验要求：针尖、稳定性、重复性…4.STS谱应用范围5.STS谱学技术展望1.什么是扫描隧道谱学技术？STS谱学技术是指扫描隧道显微术相关的谱学技术STM实验中有(x,y,z,V,I)五个变量。通常扫描图象时常保持V恒定。测量I(V)谱（扫描隧道谱STS)时，V是变化的。STM的工作模式恒流模式(V,I)=const.(x,y)/z,测量电子态的空间分布等高模式(V,

2、Z)=const.(x,y)/I,测量态的分布与贡献恒阻模式可变间距模式恒定平均电流模式扫描隧道谱STS隧道电流I-V谱I-t谱I-z谱微分电导dI/dV-V谱二次微分d2I/dV2-V谱dI/dV成像d2I/dV2成像STS谱包括扫描隧道镜STM：ScanningTunnelingMicroscopy反馈回路扫描隧道镜STM：ScanningTunnelingMicroscopy原理：隧道结电流检测针尖电极样品电极解一维薛定谔方程其中指数变化2.恒高，反馈关闭1.恒电流，反馈工作STM工作模式：表面结构信息扫描隧道谱学ScanningTunnelingSpectr

3、oscopy(STS)电子态、振动态、自旋态、输运性质等信息检测扫描隧道显微术STM关键之处：电流或与电流相关信息的获取形貌信息获取更多信息电流或与电流相关信息的获取I-V谱隧道电流是针尖到样品与样品到针尖电流之和恒高模式下工作，反馈回路关闭针尖电极样品电极V=0,无净电流探针与样品间的隧道电流测量无偏压条件针尖电极样品电极V=0,无净电流V>0,电流由针尖流向样品探针与样品间的隧道电流隧道电流是针尖到样品与样品到针尖电流之和恒高模式下工作，反馈回路关闭针尖正偏压条件V>0针尖电极样品电极V=0,无净电流V>0,电流由针尖流向样品V<0,电流由样品流向针尖探针与样品

4、间的隧道电流测量恒高模式下工作，反馈回路关闭针尖负偏压条件V<0隧道电流是针尖到样品和样品到针尖电流之和对偏压扫描，获得不同偏压下的电流值，获得I-V谱金属、半导体表面I-V谱特征：金属表面半导体表面每个偏压下的电流是费米面至eV间所有态的贡献之和I-V谱恒高模式下工作，反馈回路关闭I-V谱恒高模式下工作，反馈回路关闭具有精细电子态结构的样品的I-V谱特征：但是，I-V谱并没有直接给出电子态的结构信息下面我们将看到dI/dV谱可以提供更为清楚的信息精细结构针尖电极样品电极扫描隧道谱STS原理隧道电流的Bardeen近似表达式样品态密度针尖态密度隧穿矩阵元这里，可以看

5、出电流值反映了针尖和样品态密度的信息偏压扫描隧道谱STS原理I-V谱dI/dVs(r,E)样品电子态dI/dV谱在很多情况下，针尖态密度和矩阵元都可以近似为常数，dI/dV谱就直接反映出了样品的态密度信息。STM探针所据有的原子级的空间分辨，使得I-V谱或dI/dV谱可以用以检测局域的具有空间分辨的电子态密度信息。2.为什么要研究STS谱？优势：1.电子态、自旋态、电子输运性质等2.局域的、能量和空间的高分辨率3.单分子、量子点等小尺度体系4.……不足：受影响因素多、可重复性、复杂性、条件要求高……未来电子学发展的研究需要针对量子点、单分子体系的研究Electr

6、onicsSizeeffectEnergyquantizationP.Alivisatos,Science271(1996)933.C60Gd@C82C59NRichdiscreteenergylevelstructuresinmoleculesandnanoparticles小尺度体系具有丰富的量子化能级结构STS谱学技术是研究小尺度体系的有力工具1.电子态、自旋态：量子点、单分子2.电子输运：量子化能级结构的影响4.新效应：电、光、磁3.复合体系输运和器件原理其他的谱学技术一般很难实现针对单个分子、量子点等固态纳米结构局域表征STS谱学技术的不足之处与其他谱学技

7、术结合，扩展其应用范围3.如何测量STS谱？dI/dV,d2I/dV2及其成像,I-t,I-z,等测量方法、锁相放大技术、针尖、稳定性、重复性…微分电导dI/dV谱恒高模式下工作，反馈回路关闭数值微分方法：直接对I-V谱通过数值微分获得频率为f的调制信号V反馈回路关闭锁相放大技术：通过加适当频率的小电压正弦调制信号，即在偏压上叠加V的正弦信号，测量电流的变化量I，从而获得dI/dV微分电导dI/dV成像（mapping）dI/dV对给定能量窗口的电子态成像给定偏压下的电子态成像，反映了该能量下电子态的空间分布E(eV)XYEFdI/dVmapTopogra