掃描隧道顯微(STM)實驗

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，有許多用于表面結(jié)構(gòu)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(shù)在應(yīng)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成功了世界第一臺新型的表面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能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)。在表面科學、材料科學、生命科學等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國際科學界公認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。可實時地得到在實空間中表面的三維圖象?？捎^察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)?？稍谡婵铡⒋髿?、常溫等不同環(huán)境下工作，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(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。3、STM的優(yōu)點一、STM的背景知識在STM的恒流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。賓尼等人1986年研制作成功的AFM彌補了STM這方面的不足。后來又陸續(xù)發(fā)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?zāi)康膶W習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)；觀

4、測和驗證量子力學中的隧道效應(yīng)；學習掌握掃描隧道顯微鏡的操作和調(diào)試過程，并以之來觀察樣品的表面形貌；學習用計算機軟件處理原始數(shù)據(jù)圖象；學會分析表面的原子形貌和表面結(jié)構(gòu)。三、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學的隧道效應(yīng)。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，它不可能越過此勢壘，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，在一般情況下，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，這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。1、隧道效應(yīng)三、STM的基本原理 根據(jù)量子力學的波動理論，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(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減。三、STM的基本原理 掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時(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，形成隧道電流，其大小為： 式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，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的基本原理 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(guān)系，當距離減小 0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。 因此，根據(jù)隧道電流的變化，我

6、們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息。 視頻解說四、STM的基本結(jié)構(gòu) 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。整體結(jié)構(gòu)四、STM的基本結(jié)構(gòu)針尖針尖 隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態(tài)。 目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法(金屬鎢絲)、機械成型法(鉑-銥合金絲)等。 鉑-銥合金絲 金屬鎢絲重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)壓電陶瓷壓電陶瓷 由于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是

7、很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。 壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)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，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮。重要部件四、STM的基本結(jié)構(gòu)減震系統(tǒng)減震系統(tǒng) 由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動都會對儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。 重要部件四

8、、STM的基本結(jié)構(gòu)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(qū)動，使探針逼近樣品，進入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過反饋系統(tǒng)控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。重要部件五、STM的工作模式恒流模式 利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面 x-y 方向掃描，而 z 方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當樣品表面凸起時，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的工作模式恒高模式 針尖的 x-y 方向仍起著掃描

9、的作用，而 z 方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的相對高度會隨時發(fā)生變化，因而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表面態(tài)密度的分布。五、STM的工作模式其他工作模式：1、I(Z)譜測量：通過改變針尖的高度得到的一系列的隧道電流而形成的曲線。I(Z)譜可檢測針尖的質(zhì)量。2、I(V)譜測量：斷開反饋回路，固定針尖位置，通過一系列不同的偏壓下得到的隧道電流而形成的曲線。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(diào)制針尖與樣品的距離，可根據(jù)調(diào)制的信號得到dI/dZ在表面形成的圖象。該圖象提供了樣品表面的微觀功函數(shù)的空間分布。4、電子態(tài)密度圖象：

10、在掃描過程中，偏壓V以dU調(diào)制，從而得到調(diào)制后的隧道電流dI，這樣dI/dV在表面形成的圖象就反應(yīng)了樣品表面的電子態(tài)密度分布。六、STM的實驗內(nèi)容金膜表面的原子團簇圖像掃描金膜表面的原子團簇圖像掃描：STM圖像反映的是表面局域態(tài)密度的形貌，這些形貌正好反映了表面勢壘的形狀，表面勢壘的形狀與表面原子位置密切相關(guān)。因此，STM圖像直接反映了金屬表面的幾何結(jié)構(gòu)。由于顆粒比較大，所以避免采用恒高模式，而用恒流模式進行掃描。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，通常選用石墨作為標準樣品。石墨中的原子排列成層狀，而每一層的原子則呈六邊形

11、周期排列，由于石墨表面比較平整，而且原子高度一般不超過1nm，為了更高速度和更高質(zhì)量的掃描，我們使用恒高掃描模式。七、實驗步驟準備針尖和樣品手動逼近樣品和針尖，使之距離約為1mm；切忌使針尖與樣品發(fā)生相撞；設(shè)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(shè)置不同的掃描范圍(金膜一般取700900nm，石墨一般取515nm)；七、實驗步驟根據(jù)不同的模式設(shè)置不同的掃描速度(恒流模式一般要較慢掃描，恒高模式可較快掃描)，然后開始掃描。得到掃描圖像后，可進行一定的圖像處理。實驗結(jié)束后，一定要先使用軟件控制馬達自動

12、退達1000步以上。關(guān)閉系統(tǒng)八、結(jié)果分析觀察得到圖像的原子(或原子團簇)的半徑以及以及粒子高度；表面是否有什么異常的現(xiàn)象，對石墨表面的原子圖像還可觀察原子排列情況，觀察是否有六邊形排列情況；觀察圖像的質(zhì)量，分析導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因；平面形貌和三維處理圖像進行對比、分析。八、結(jié)果分析八、結(jié)果分析九、影響圖像質(zhì)量的因素影響儀器分辨率和圖像質(zhì)量的因素主要有以下幾點：對針尖的要求：具有高的彎曲共振頻率 、針尖的尖端很尖(最好尖端只有一個原子)、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)的綜合使用；電子學控制系統(tǒng)的采集和反饋速度和質(zhì)量；樣品的導(dǎo)電性對圖像也有一定的影

13、響。各種參數(shù)的選擇要合適。十、STM基礎(chǔ)上發(fā)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，其末端有一微小的針尖，由于針 尖尖端原子與樣品表面 原子間存在極微弱的排 斥力，通過掃描時控制 這種力的恒定，同時利 用光學檢測法可以測得 微懸臂對應(yīng)于掃描各點 的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。 十、STM基礎(chǔ)上發(fā)展起的SPM磁力顯微鏡磁力顯微鏡( (MFM)MFM)摩擦力摩擦力顯微鏡（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(shù)（彈道電子發(fā)射顯微術(shù)（BEEMBEEM） 掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICMSICM） 掃