材料分析方法ppt课件.ppt

《材料分析方法ppt课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四章扫描探针显微分析技术第四章扫描探针显微分析技术1.SPM的基本原理2.扫描隧道显微镜（STM）3.原子力显微技术4.磁力显微技术4.1SPM的基本原理4.2.扫描隧道显微镜（STM）1981年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（ScanningTunnellingMicroscope，简称STM）．STM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化性质，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

2、广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一．为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．STM的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性

3、而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。扫描隧道显微镜的基本原理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(通常小于1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有

4、一定的导电性才可以产生隧道电流）隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关：（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1）隧道电流是间距的指数函数；如果针尖与样品间隙（Å级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。STM的针尖~样品相互作用示意图STM的结构常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上

5、施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。STM两种扫描模式恒定高度模式－检测隧道电流变化恒定电流模式－检测高度变化两种模式各有利弊。恒高模式扫描速率较高，因为控制系统不必上下移动扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面。恒电流模式可以较高的精度测量不规则表面，但比较耗时。恒电流模式x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，

6、样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。恒高度模式在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。STM的优点具有极高的分辨率得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象使用环境宽松应用领域是宽

7、广的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的“看见”了以前所看不到的东西STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。实现了单原子和单分子操纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位

8、置，再将分子沉积在材料表面通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键单分子化学反应已经成为现实一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现“选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键，