扫描隧道显微(STM)实验.ppt

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1、扫描隧道显微(STM)实验一、STM的背景知识自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FEM)等。但任何一种技术在应用中都会存在这样或那样的局限性。1982年，IBM(国际商业机器)公司苏黎世实验室的葛·宾尼(GerdBinnig)博士和海·罗雷尔(HeinrichRohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(Sc

2、anningTunnelingMicroscope，简称STM)。1、STM的产生背景一、STM的背景知识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的发明者和被授予诺贝尔物理学奖。2、STM的出现的意义葛·宾尼(GerdBinning)宾尼海·罗雷尔(HeinrichRohrer)罗雷尔一、STM的背景知识具有原子级高分辨

3、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，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过程对样品无损伤。配合扫描隧道谱STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信息。3、STM的优点一、STM的背景知识在STM的恒流工作模式下，有时它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。STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。宾尼等人1986年研制作成功的AFM弥补了STM这方面的不足。后来

4、又陆续发展了一系列的扫描探针显微镜，如磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等。4、STM本身存在着的局限性二、STM的实验目的学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；观测和验证量子力学中的隧道效应；学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；学习用计算机软件处理原始数据图象；学会分析表面的原子形貌和表面结构。三、STM的基本原理扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它

5、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，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。1、隧道效应三、STM的基本原理根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒的透射系数由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减。三、STM的基本原理扫描隧道显微镜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时(通常小于1nm)，在外加电场

6、的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧道电流，其大小为：式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，S为样品与针尖的距离，Φ是平均功函数，A为常数，在真空条件下约等于1．2、隧道电流三、STM的基本原理由前式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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。视频解说四、STM的基本结构STM仪器由具有减振系统的STM头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和包括A/D多功

7、能卡的计算机组成。整体结构四、STM的基本结构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。铂-铱合金丝金属钨丝重要部件四、STM的基本结构压电陶瓷由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1

8、000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。重要部件四、STM的基本结构三维扫描控制器单管型扫描控制器：陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩。重要部件四、STM的基本结构减震系统由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都