一、STM背景知識ppt課件

1、 掃描隧道顯微(STM)實驗一、STM的背景知識 自從1933年德國科學家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于外表構造分析的現(xiàn)代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、場離子顯微鏡(FEM)等。但任何一種技術在運用中都會存在這樣或那樣的局限性。 1982年，IBM(國際商業(yè)機器)公司蘇黎世實驗室的葛賓尼(Gerd Binnig)博士和海羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制勝利了世界第一臺新型的外表分析儀器掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，簡稱STM)。1、ST

2、M的產(chǎn)生背景一、STM的背景知識使人類第一次可以實時地察看單個原子在物質外表的陳列形狀和與外表電子行為有關的物理、化學性質。在外表科學、資料科學、生命科學等領域的研討中有著艱苦的意義和寬廣的前景，被國際科學界公以為二十世紀八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的發(fā)明者 和 被授予諾貝爾物理學獎。2、STM的出現(xiàn)的意義葛賓尼(Gerd Binning) 賓尼 海羅雷爾(Heinrich Rohrer)羅雷爾一、STM的背景知識具有原子級高分辨率?？蓪崟r地得到在實空間中外表的三維圖象?？刹炜磫蝹€原子層的部分外表構造?？稍谡婵铡⒋髿?、常溫等不同環(huán)境下任務，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測過

3、程對樣品無損傷。配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關外表電子構造的信息。3、STM的優(yōu)點一、STM的背景知識在STM的恒流任務方式下，有時它對樣品外表微粒之間的某些溝槽不可以準確探測，與此相關的分辨率較差。STM所察看的樣品必需具有一定程度的導電性。賓尼等人1986年研制造勝利的AFM彌補了STM這方面的缺乏。后來又陸續(xù)開展了一系列的掃描探針顯微鏡，如磁力顯微鏡(MFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、掃描熱顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。 4、STM本身存在著的局限性二、STM的實驗目的學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和構造；觀

4、測和驗證量子力學中的隧道效應；學習掌握掃描隧道顯微鏡的操作和調試過程，并以之來察看樣品的外表形貌；學慣用計算機軟件處置原始數(shù)據(jù)圖象；學會分析外表的原子形貌和外表構造。三、STM的根本原理 掃描隧道顯微鏡的任務原理是基于量子力學的隧道效應。對于經(jīng)典物理學來說，當一粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不能夠越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。 而按照量子力學的計算，在普通情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個景象稱為隧道效應。1、隧道效應三、STM的根本原理 根據(jù)量子力學的動搖實際，粒子穿過勢壘的透射系數(shù)由式中可見，透射系數(shù)T與勢壘寬度a、能量

5、差V0-E以及粒子的質量m有著很敏感的依賴關系，隨著a的添加，T將指數(shù)衰減。三、STM的根本原理 掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細探針和被研討物質的外表作為兩個電極，當樣品與針尖的間隔非常接近時(通常小于 1 nm)，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，構成隧道電流，其大小為： 式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的間隔，是平均功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于 12、隧道電流三、STM的根本原理 由前式可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關系，當間隔減小 0.1nm，隧道電流即添加約一個數(shù)量級。 因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可

6、以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。 視頻講解四、STM的根本構造 STM 儀器由具有減振系統(tǒng)的STM 頭部(含探針和樣品臺)、電子學控制系統(tǒng)和包括A/D 多功能卡的計算機組成。整體構造四、STM的根本構造針尖針尖 隧道針尖的構造是掃描隧道顯微技術要處理的主要隧道針尖的構造是掃描隧道顯微技術要處理的主要問題之一。針尖的大小、外形和化學同一性不僅影響問題之一。針尖的大小、外形和化學同一性不僅影響著著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的外形，而且也掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的外形，而且也影影響著測定的電子態(tài)。響著測定的電子態(tài)。 目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法目前制備針尖的方法主要有電

7、化學腐蝕法(金屬鎢金屬鎢絲絲)、機械成型法、機械成型法(鉑鉑-銥合金絲銥合金絲)等。等。 鉑鉑-銥合金絲銥合金絲 金屬鎢絲金屬鎢絲重要部件四、STM的根本構造壓電陶瓷壓電陶瓷 由于儀器中要控制針尖在樣品外表進展高精度的由于儀器中要控制針尖在樣品外表進展高精度的掃掃描，用普通機械的控制是很難到達這一要求的。目前描，用普通機械的控制是很難到達這一要求的。目前普普遍運用壓電陶瓷資料作為遍運用壓電陶瓷資料作為x-y-zx-y-z掃描控制器件。掃描控制器件。 壓電陶瓷資料能以簡單的方式將壓電陶瓷資料能以簡單的方式將1mV-1000V1mV-1000V的電壓的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。信

8、號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 重要部件四、STM的根本構造三維掃描控制器三維掃描控制器 單管型掃描控制器：陶瓷管的單管型掃描控制器：陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)外部電極分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮。伸展或收縮。重要部件四、STM的根本構造減震系統(tǒng)減震系統(tǒng) 由于儀器任務時針尖與樣品的間距普通小于由于儀器任務時針尖與樣品的間距普通小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關系，因此任同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關系，因此任何微小的何微小的震動都會對儀器的穩(wěn)定

9、性產(chǎn)生影響。必需隔絕震動都會對儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必需隔絕的兩種類的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。要的。 重要部件四、STM的根本構造電子學控制系統(tǒng)電子學控制系統(tǒng) 掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道使探針逼近樣品，進入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電電流，在恒電流方式中還要將隧道電流與設定值相比較，流，在恒電流方式中還要將隧道電流與設定值相比較，再經(jīng)過反響系統(tǒng)控制探針的進與退，從而堅持隧道電再經(jīng)過反響系統(tǒng)控制探針的進與退，從而堅持隧道電

10、流流的穩(wěn)定。一切這些功能，都是經(jīng)過電子學控制系統(tǒng)來的穩(wěn)定。一切這些功能，都是經(jīng)過電子學控制系統(tǒng)來實實現(xiàn)的。現(xiàn)的。重要部件五、STM的任務方式恒流方式 利用壓電陶瓷控制針尖在樣品外表 x-y 方向掃描，而 z 方向的反響回路控制隧道電流的恒定，當樣品外表凸起時，針尖就會向后退，以保持隧道電流的值不變，這樣探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。五、STM的任務方式恒高方式 針尖的 x-y 方向仍起著掃描的作用，而 z 方向那么堅持絕對高度不變，由于針尖與樣品外表的相對高度會隨時發(fā)生變化，因此隧道電流的大小也會隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到外表態(tài)密度的分布

11、。五、STM的任務方式其他任務方式：1、I(Z)譜丈量：經(jīng)過改動針尖的高度得到的一系列的隧道電流而構成的曲線。I(Z)譜可檢測針尖的質量。2、I(V)譜丈量：斷開反響回路，固定針尖位置，經(jīng)過一系列不同的偏壓下得到的隧道電流而構成的曲線。3、勢壘高度圖象：對針尖Z方向的壓電管加一交流電壓從而調制針尖與樣品的間隔，可根據(jù)調制的信號得到dI/dZ在外表構成的圖象。該圖象提供了樣品外表的微觀功函數(shù)的空間分布。4、電子態(tài)密度圖象：在掃描過程中，偏壓V以dU調制，從而得到調制后的隧道電流dI，這樣dI/dV在外表構成的圖象就反響了樣品外表的電子態(tài)密度分布。六、STM的實驗內(nèi)容金膜外表的原子團簇圖像掃描：金

12、膜外表的原子團簇圖像掃描：STM圖像反映的是外圖像反映的是外表局域態(tài)密度的形貌，這些形貌正好反映了外表勢壘表局域態(tài)密度的形貌，這些形貌正好反映了外表勢壘的外形，外表勢壘的外形與外表原子位置親密相關。的外形，外表勢壘的外形與外表原子位置親密相關。因此，因此，STM圖像直接反映了金屬外表的幾何構造。由圖像直接反映了金屬外表的幾何構造。由于顆粒比較大，所以防止采用恒高方式，而用恒流方于顆粒比較大，所以防止采用恒高方式，而用恒流方式進展掃描。式進展掃描。六、STM的實驗內(nèi)容高序石墨原子高序石墨原子(HOPG)圖像的掃描：掃描隧道顯微鏡掃圖像的掃描：掃描隧道顯微鏡掃描原子圖像時，通常選用石墨作為規(guī)范樣品

13、。石墨中描原子圖像時，通常選用石墨作為規(guī)范樣品。石墨中的原子陳列成層狀，而每一層的原子那么呈六邊形周的原子陳列成層狀，而每一層的原子那么呈六邊形周期陳列，由于石墨外表比較平整，而且原子高度普通期陳列，由于石墨外表比較平整，而且原子高度普通不超越不超越1nm，為了更高速度和更高質量的掃描，我們，為了更高速度和更高質量的掃描，我們運用恒高掃描方式。運用恒高掃描方式。七、實驗步驟預備針尖和樣品手動逼近樣品和針尖，使之間隔約為1mm；切忌使針尖與樣品發(fā)生相撞；設置參數(shù)：“隧道電流置為 0.250.3nA；“針尖偏壓置為 100200mV；軟件控制馬達，使針尖自動逼近進入隧道區(qū)；根據(jù)不同的樣品設置不同的

14、掃描范圍(金膜普通取700900nm，石墨普通取515nm)；七、實驗步驟根據(jù)不同的方式設置不同的掃描速度(恒流方式普通要較慢掃描，恒高方式可較快掃描)，然后開場掃描。得到掃描圖像后，可進展一定的圖像處置。實驗終了后，一定要先運用軟件控制馬達自動退達1000步以上。封鎖系統(tǒng)八、結果分析察看得到圖像的原子(或原子團簇)的半徑以及以及粒子高度；外表能否有什么異常的景象，對石墨外表的原子圖像還可察看原子陳列情況，察看能否有六邊形陳列情況；察看圖像的質量，分析導致此景象的緣由；平面形貌和三維處置圖像進展對比、分析。八、結果分析八、結果分析九、影響圖像質量的要素影響儀器分辨率和圖像質量的要素主要有以下幾

15、點：對針尖的要求：具有高的彎曲共振頻率 、針尖的尖端很尖(最好尖端只需一個原子)、針尖的化學純度高；壓電陶瓷的精度要足夠高；減震系統(tǒng)的減震效果要好，可采用各種減震系統(tǒng)的綜合運用；電子學控制系統(tǒng)的采集和反響速度和質量；樣品的導電性對圖像也有一定的影響。各種參數(shù)的選擇要適宜。十、STM根底上開展起的SPM原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM) 利用一個對微弱力極敏感的微懸臂，其末端有一微小利用一個對微弱力極敏感的微懸臂，其末端有一微小的針尖，由于針的針尖，由于針 尖尖端原子與樣品外表尖尖端原子與樣品外表 原子間存在極微弱的排原子間存在極微弱的排 斥力，經(jīng)過掃描時控制斥力，經(jīng)過掃描時控制 這種力的恒定，同時利這種力的恒定，同時利 用光學檢測法可以測得用光學檢測法可以測得 微懸臂對應于掃描各點微懸臂對應于掃描各點 的位置變化，從而可以獲得樣品的外表形貌的信息。的位置變化，從而可以獲得樣品的外表形貌的信息。 十、STM根底上開展起的SPM磁力顯微鏡磁力顯微鏡(MFM)(MFM)摩擦力顯微鏡摩擦力顯微鏡LFMLFM 靜電力顯微鏡靜電力顯微鏡(EFM)(EFM)彈道電子發(fā)射顯微術彈道電子發(fā)