纳米材料的表征方法之STM和AF

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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（ScanningTunnelingMicroscopy）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)-77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

2、：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。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

3、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：IVs(0,EF)e-1.02-1/2为金属逸出功，4eVs(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

4、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STM（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S

5、TM（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

6、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

7、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和形貌。必须

8、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（AtominForceMicroscope）发明者：Dr.Quate,Dr.Gerber,StandfordUniv.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