扫描隧道显微镜（STM）

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1、扫描隧道显微镜(STM)ScanningTunnelingMicroscope一、简介二、基本原理三、STM的结构及关键技术四、应用1．表面形貌测量及分辨率2．逸出功的测量3.扫描隧道谱(STS)五、原子力显微镜（AFM）1．特点2．工作原理3．结构及关键技术Δ力传感器Δ微悬臂位移检测法4．应用例举六、扫描探针显微镜（SPM）一、简介1．从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→STM分辨200nm几个nmÅ2．原理3．独特优点：Δ观察表面形貌达原子分辨Δ无需任何透镜，不存在象差Δ可在各种条件下测量：真空、大气、水、油及液氮中Δ广泛的应用：形貌、表面电位、电子态分布原子力显微镜及原

2、子探针显微镜纳米技术、表面微细加工、搬动原子1986年获诺贝尔物理奖(G.BinnigandH.Rohrer)二、基本原理1．隧道电流隧道结电流密度（对两平行金属）s：有效隧道距离VT：所加电压ko：ko=φ：有效势垒高度φ＝1/2(φ1+φ2)eV对于真空是几个电子伏对氧化物小于1电子伏I-s有指数关系：I∝exp[-2kos]隧道电流在10－9－10－6A量级当s增加Δs时：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]设Δs=1Å，ko≈1Å－1(φ∼5eV)则exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：当s增加1Å时，I将减少一个数量级。2．工作模式△恒高模式用隧道电流的

3、大小来调制显象管的亮度△恒电流模式用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变(保持隧道电流不变)，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常数两边微分ΔI/I=-2koΔs若保持隧道电流I不变ΔI/I在±2％之内（电路控制可达精度）设ko≈1Å－1，则Δs≈0.01Å表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01Å三、扫描隧道显微镜的结构1.技术关键△微小距离的移动及控制－压电陶瓷位移灵敏度在5Å/V量级STM针尖半径R3-10Å针尖与表面距离2-5Å△防震2.结构三维控制的压电陶瓷：Px和Py上加周期锯齿波电压

4、，使针尖沿表面作光栅扫描。利用隧道结电流I反馈，控制加于Pz上的电压来控制s，以保持I不变。如s↗→I↘→Pz上的电压↗→Pz伸长→s↘。VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。△XYZ位移器（样品位置细调〕微小距离移动的精确控制△样品粗调使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离(10-100μm)调整到100Å量级－Louse结构－精细螺旋机构△防震系统分析－使由振动引起的隧道距离变化0.001nm(振动：针对重复性、连续的，通常频率在1－100Hz)四、扫描隧道显微镜的应用1．表面形貌测量及其分辨率假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有一定尺寸，针尖的轨迹将有一

5、过渡区δ。δ与R、s和ko有如下近似关系：R：针尖半径S：针尖至表面距离若R=3Å,s=2Å,ko=1Å-1则δ≈1.6Å(分辨率)只有在表面各处逸出功相同时，针尖在z方向的位移才表示样品外形的起伏。Ko=φ=(1/2)(φ1+φ2)2．逸出功的测量由I∝exp[-2kos]ΔI/I=-2koΔsΔI/Δs=2Iko若I保持不变则：dI/ds∝ko∝φ1/2工作方式：扫描中保持I不变，使s有一交流调制，dI/ds随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。3．扫描隧道谱(STS)在表面的某个位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不

6、变，使针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随x,y的变化，得扫描隧道谱象。表面的电子性质和化学性质表现在I-V和dI/dV－V曲线中。应用举例：Si(111)面的7×7结构STM△水平分辨率:0.1nm纵向分辨率:0.001nm△信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布采用特殊的工作模式,可把后两者信息提取出来。△对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量五、原子力显微镜(AFM)AtomicForceMicroscope1．特点：△能测量绝缘体的表面形貌(STM不能)△测量表面原子间的力测量弹性、塑性、硬度等2．AFM的结构及工作原理微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。针尖

7、与表面轻轻接触(斥力:10－8－10－6N)。样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定(样品与针尖间距离不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品形貌信息。利用了原子间的力关键技术：微悬臂及其位移检测3.结构及关键技术（振动隔离及样品移动等与STM相同）（1）AFM微悬臂位移的检测方法要求：有纳米量级的检测灵敏度测量对悬臂产生的作用力小到可忽略方法：隧道电流法（用STM）光学检测法:干涉法光束反射法电容检测法隧道电流法（用STM）光束反射法(2)力传感器(微悬臂和针尖)