材料科学研究方法：扫描探针显微镜.ppt

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1、扫描探针显微镜欧阳星深圳大学材料学院X射线衍射光学显微镜和扫描电子显微镜高分辨透射电子显微镜场离子显微镜和原子探针显微分析X射线光电子能谱样品具有周期性结构不足分辨出表面原子用于薄层样品的体相和界面研究只能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且制样技术复杂只能提供空间平均的电子结构信息人类一直想直接看到原子，1981年扫描隧道显微镜的发明使梦想成为现实。其它和扫描隧道显微镜有相似原理的极高分辨率的仪器如原子力显微镜、扫描热显微镜等相继出现。统称扫描探针显微镜(SPM)。分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度检测深

2、度扫描探针显微镜原子级(0.1nm)实环境、大气、溶液、真空室温或低温无100μm量级透射电镜点分辨(0.3~0.5nm)晶格分辨(0.1~0.2nm)高真空室温小接近SEM,但实际上为样品厚度所限，一般小于100nm.扫描电镜6~10nm高真空室温小10mm(10倍时)1μm(10000倍时)场离子显微镜原子级超高真空30~80K有原子厚度相较于其它显微镜技术的各项性能指标比较SPM设备相对简单、体积小、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、操作简便等特点，同时日常维护和运行费用低。扫描探针显微镜正在迅速地被应用于科学研究的许多领域，如

3、纳米技术，催化新材料，生命科学，半导体科学等，并且取得了许多重大的科研成果。本章讲述最受关注的两种扫描探针显微镜。扫描隧道显微镜(STM)原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜(STM)引言工作原理工作模式在材料研究中的应用1.引言使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。STM出现的意义2.工作原理隧道效应

4、一般来说，带偏压的两个平板导体间只要不接触不会有电流流过。但是当这两个导电平板靠得很近，相隔小于1nm时，即使不接触，也会产生电流。电子像穿过中间的隧道一般形成电流，因此称为隧道电流。电子像穿过中间的隧道一般形成电流，因此称为隧道电流。这种隧道电流随着间距的减少呈指数上升。这种现象就是量子力学中的隧道效应。把一个平板导体替换为一个很尖的针尖，让针尖对另外一个导体（样品）做二维扫描。通过记录z方向的电流或者高度变化来得到样品的三维图像。针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微

5、镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法(金属钨丝)、机械成型法(铂-铱合金丝)等。金属钨丝铂-铱合金丝分辨水平可以达到0.01nm。要求样品和针尖都必须是导体或者半导体。3.工作模式恒流模式在图像扫描时利用反馈回路控制针尖和样品之间的距离不断变化来保持隧道电流恒定，从而得到样品表面起伏的原子图像。恒流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒高模式始终控制针尖的高度不变，取出扫描过程中针尖和样品之间的电流变化信息来绘制样品表面的原子像。只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。但获得图像速度比恒

6、流模式快。恒流模式恒高模式其他工作模式：1、I(Z)谱测量：通过改变针尖的高度得到的一系列的隧道电流而形成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。2、I(V)谱测量：断开反馈回路，固定针尖位置，通过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而形成的曲线。3、势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的距离，可根据调制的信号得到dI/dZ在表面形成的图象。该图象提供了样品表面的微观功函数的空间分布。4、电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dI，这样dI/dV在表面形成的图象就反应了样品表面的电子态密

7、度分布。4.在材料研究中的应用纯金属表层原子结构及表面相变半导体材料表面原子结构及表面相变纯金属表面吸附（表面反应）过程的动态研究材料表面物理沉积过程的原位观察材料组织结构及相结构的研究表面纳米加工及单原子的操纵具有原子级高分辨率。可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可观察单个原子层的局部表面结构。可在真空、大气、常温等不同环境下工作，并且探测过程对样品无损伤。STM的优点STM的恒流工作模式下，有时对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。只能观察样品表面，不能探测样品的深层信息。对探针的制备技术要求很高。实验的

8、成功率在很大程度上依赖于操作者的经验和机遇。探针扫描范围小（微米范围），难以对观察点精确定位。样品必须具有一定程度的导电性。STM的局限性原子力显微镜(AFM)工作原理工作模式在