掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡原理及應(yīng)用介紹

1、掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡( (Scanning Tunneling Microscope，STM）原子力顯原子力顯微微鏡鏡（Atomic Force Microscope , AFM）報(bào)告人：董衛(wèi)民報(bào)告人：董衛(wèi)民 施淑穎施淑穎 1.STM1.STM的發(fā)明的發(fā)明 1982年，國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)蘇黎世研究所的賓尼和羅雷爾及其同事們成功地研制出世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)。 它使人類第一次能夠直接觀察到物質(zhì)表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究其相關(guān)的物理和化學(xué)特性。因此，它對(duì)表面物理和化學(xué)、材料科學(xué)、生

2、命科學(xué)以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。 STM的發(fā)明被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一；由于這一杰出成就賓尼和羅雷爾獲得了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。葛賓尼海羅雷爾世界上第一臺(tái)掃掃描道顯微鏡2.STM2.STM的的原理原理掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E 低于前方勢壘的高度V0 時(shí)，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(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更

3、高的勢壘粒子可以穿過比它能量更高的勢壘(如圖)這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 2.STM2.STM的的原理原理隧道效應(yīng)是由于粒子的波動(dòng)性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會(huì)顯著。經(jīng)計(jì)算，透射系數(shù)T為：022()02016()am VEE VETeV由公式可見，T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的關(guān)系。隨著勢壘厚(寬)度a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實(shí)驗(yàn)中，幾乎觀察不到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。2.STM2.STM的的原理原理隧穿電隧穿電流流STM是將原子限度的極細(xì)探針和樣品的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于1 nm)，在外加電場的作用下，電子

4、會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流向另一電極，形成隧穿電流，其大小為：12exp()bIVAS V是加在針尖和樣品之間的偏置電壓A 為常數(shù)，在真空條件下約等于1為物質(zhì)表面的平均功函數(shù)S是針尖和樣品之間距離 I是隧道電流隧穿電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)探針在樣品表面掃描時(shí)根據(jù)隧穿電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。 3.STM3.STM的工的工作模式作模式恒流模式恒流模式 x-y方向進(jìn)行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就向后

5、退；反之，樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動(dòng)，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅(qū)動(dòng)的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。3.STM3.STM的工的工作模式作模式恒恒高模式高模式在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。3.STM3.STM的儀器構(gòu)造的儀器構(gòu)造STM由具有減振系統(tǒng)的頭部(含探針和樣品臺(tái))、電子學(xué)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組成。壓電陶瓷或晶體由于儀器中要控制針尖在樣品

6、表面進(jìn)行高精由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。掃描控制器件。3.STM3.STM的儀器構(gòu)造的儀器構(gòu)造所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機(jī)械力發(fā)生形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場，或給晶體加一電場時(shí)晶體會(huì)產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多晶體，如石英等都具有壓電性質(zhì)，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛Pb(Ti,Zr)O3(簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米

7、的位移。用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。圖中為三腳架型，由三根獨(dú)立的長棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結(jié)合在一起，針尖放在三腳架的頂端，在電場的作用下三條腿獨(dú)立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，從而控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描。4.STM4.STM的的應(yīng)用應(yīng)用u “看見看見”了以前所看不到的東西了以前所看不到的東西STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點(diǎn)一到零點(diǎn)幾個(gè)納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物質(zhì)表面的原子、分子狀態(tài)清晰可見。4.STM

8、4.STM的的應(yīng)用應(yīng)用u 實(shí)現(xiàn)了單原子和單分子操實(shí)現(xiàn)了單原子和單分子操縱縱利用STM針尖與吸附在材料表面的分子之間的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面發(fā)生橫向移動(dòng)，具體又可分為“牽引”、“滑動(dòng)”、“推動(dòng)”三種方式。通過某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動(dòng)到新的位置，再將分子沉積在材料表面。通過外加一電場，改變分子的形狀，但卻不破壞它的化學(xué)鍵可以實(shí)現(xiàn)單分子操縱。1990年，IBM公司的科學(xué)家展示了一項(xiàng)令世人震驚的成果，他們?cè)诮饘冁嚤砻嬗?5個(gè)惰性氣體原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。世界首例STM原子操縱4.STM4.STM的的應(yīng)用應(yīng)用u 單分子化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)單分子化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為

9、現(xiàn)實(shí)單原子、單分子操縱在化學(xué)上是一個(gè)極具誘惑力且具有潛在應(yīng)用 “選鍵化學(xué)”，可以對(duì)分子內(nèi)的化學(xué)鍵進(jìn)行選擇性的加工。一個(gè)直觀的例子是由Park等人完成的，他們將碘代苯分子吸附在Cu單晶表面的原子臺(tái)階處，再利用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用STM針尖將兩個(gè)苯活性基團(tuán)結(jié)合到一起形成一個(gè)聯(lián)苯分子，完成了一個(gè)完整的化學(xué)反應(yīng)過程。u 在分子水平上構(gòu)造電子學(xué)器件一般情況下金屬和半導(dǎo)體材料具有正的電導(dǎo)，即流過材料的電流隨著所施加的電壓的增大而增加。但在單分子尺度下，由于量子能級(jí)與量子隧穿的作用會(huì)出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象負(fù)微分電導(dǎo)。中國科技大學(xué)的科學(xué)家仔細(xì)研究了基于C60分子的負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象。他們利用STM

10、針尖將吸附在有機(jī)分子層表面的C60分子“撿起”，然后再把C60移到另一個(gè)C60分子上方。這時(shí)，在針尖與襯底上的C60分子之間加上電壓并檢測電流，他們獲得了穩(wěn)定的具有負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)的量子隧穿結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作通過對(duì)單分子操縱構(gòu)筑了一種人工分子器件結(jié)構(gòu)。這類分子器件一旦轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，將可廣泛的用于快速開關(guān)、震蕩器和鎖頻電路等方面，這可以極大地提高電子元件的集成度和速度。5.STM5.STM的的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)u 具有極高的分辨率u 得到的是實(shí)時(shí)的、真實(shí)的樣品表面的高分辨率圖象u 使用環(huán)境寬松u 應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的u 價(jià)格相對(duì)于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的缺點(diǎn)缺點(diǎn)u 掃描隧道顯微鏡在恒電流工作模式下

11、，有時(shí)它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。u 掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體，對(duì)于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對(duì)真實(shí)表面的分辨率。u 掃描隧道顯微鏡的工作條件受限制，如運(yùn)行時(shí)要防振動(dòng)，鎢探針在潮濕的環(huán)境中易生銹。原子力顯微鏡原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope , AFM）1. AFM1. AFM的發(fā)明的發(fā)明AFM是在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類顯微鏡，通過探測極小探針與樣品表面之間的相互作用力的大小而獲得表面信息。19

12、86，IBM，葛賓尼發(fā)明了原子力顯微鏡(Atomic ForceMicroscope ) 新一代表面觀測儀器。2 2. AFM. AFM的原理的原理原子力顯微鏡利用微懸臂感受和放大懸臂上探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測的目的，具有原子級(jí)的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡的基本原理是：將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，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，通過在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)檢測法或隧

13、道電流檢測法，可測得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面的形貌信息。3 3. AFM. AFM的工作模式的工作模式接觸模式 (contact mode) 非接觸模式 (non-contact mode)輕敲模式 (tapping / intermittent contact mode)3 3. AFM. AFM的工作模式的工作模式 針尖始終與樣品接觸并簡單地在表面上移動(dòng)，針尖與樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為108 1011N。van der Waals force curve接觸式接觸式l優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。l缺點(diǎn)：可能使樣品產(chǎn)

14、生相當(dāng)大的變形，對(duì)柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響AFM成像質(zhì)量。3 3. AFM. AFM的工作模式的工作模式非接觸非接觸式式針尖與樣品間相互作用力是范德華吸引力。在針尖上加小的振蕩信號(hào)，針尖和樣品間距是通過保持振幅恒定來控制的。l 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品無損傷 l 缺點(diǎn)：分辨率要比接觸式的低。圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。4 4. AFM. AFM的工作模式的工作模式輕敲輕敲式式van der Waals force curve 介于接觸模式和非接觸模式之間:其特點(diǎn)是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5-100nm)，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸。 特點(diǎn)： 分辨率幾乎同接觸模式一樣好；接觸非常短暫，因此剪切力引起的對(duì)樣品的破壞幾乎完全消失。4 4. AFM. AFM的工作模式的工作模式樣片表面凝結(jié)的水滴對(duì)不同測試模式的干擾不