大學物理仿真實驗——掃描隧道顯微鏡

1、大物仿真實驗報告 電子掃描隧道顯微鏡 班級： 學號： 姓名：一. 實驗?zāi)康?. 學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)；2. 觀測和驗證量子力學中的隧道效應(yīng)；3. 學習掃描隧道顯微鏡的操作和調(diào)試過程，并以之來觀測樣品的表面形貌；4. 學習用計算機軟件處理原始圖象數(shù)據(jù)。二實驗原理原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特時代，但在漫長的歲月中，原子還只是假設(shè)而并非可觀測到的客體. 人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質(zhì)的結(jié)構(gòu)細節(jié)，光學顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細菌、細胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學顯微鏡的分辨率只能達到10-7m電子顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了

2、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀元，掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達到原子級的分辨率01nm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)和真空條件場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測半徑小于 100 nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣品制備復雜，可用來作為樣品的材料也十分有限. X射線衍射和低能電子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進行研究與其他表面分析技術(shù)相比，STM具有如下獨特的優(yōu)點：= 具有原子級高分辨率，STM

3、在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達 01nm 和 001 nm，即可以分辨出單個原子= 可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的研究= 可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對體相或整個表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等= 可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對樣品無損傷這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超一身地

4、創(chuàng)、電化學反應(yīng)過程中電極表面變化的監(jiān)測等。= 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等= 利用STM針尖，可實現(xiàn)對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)1. 隧道電流掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力學中的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學來說，當一個粒子的動能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，粒子可以穿過比它能量更高

5、的勢壘(如圖1)這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計算，透射系數(shù)T為：由式(1)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驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。掃描隧道顯微鏡的基本原理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 (通常小于1nm) 時，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。隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數(shù)有關(guān)：式中Vb是加在針尖

6、和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)1和2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導電性才可以產(chǎn)生隧道電流。2. 掃描隧道顯微鏡的工作原理由式(2)可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)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，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。= 恒電流模式：如

7、圖（a）所示x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。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)動的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。= 恒高度模式：如圖(b)所示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。三實驗儀器STM 掃描隧道顯微鏡，STM控制器，STM

8、控制軟件 STM 掃描隧道顯微鏡 STM控制器STM控制軟件四實驗操作方法1. 打開軟件。2. 單擊鼠標右鍵彈出菜單，選擇“開始實驗”。3. 單擊鼠標右鍵，選擇“操作STM”。4. 在樣品承載臺上單擊鼠標左鍵，選擇合適的樣品(高序石墨)。5. 鼠標點擊承載臺下面的調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)，讓針尖盡量接近樣品表面，注意不要損壞針尖。6. 雙擊STM控制器，單擊電源按鈕，打開STM控制器開關(guān)。7. 雙擊電腦，打開STM控制軟件。8. 打開“Z高度”和“馬達高級控制面板”。9. 點擊“連續(xù)進”，找到掃描控制區(qū)。10. 使用“單步進”，讓Z高度電流穩(wěn)定在-30 30V之間。11. 關(guān)閉高級馬達控制面板，點擊“

9、新建高度圖像”。12. 設(shè)置“高度控制”的顯示范圍為1nm，“掃描控制面板”的掃描范圍為5nm。13. 點擊“開始/停止掃描圖像”，即可掃出高序石墨的原子圖譜。五實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)處理高序石墨掃描圖像：相關(guān)參數(shù)表： 六實驗結(jié)論和誤差分析實驗結(jié)論：通過掃描隧道顯微鏡的命名出發(fā)了解了其基本原理，從本質(zhì)上理解了掃描隧道顯微鏡的作用，實驗中在一步步的摸索中明白了每一步實驗步驟的目的。運用具有原子分辨率的實驗儀器觀察了高序石墨的表面形貌，使我們有機會通過自己的努力獲得原子排列圖誤差分析：1. 儀器本身的系統(tǒng)誤差。2. 可能由于實驗儀器對于隧道電流的分辨率問題導致形貌圖和本身原子排列有偏差。3. 在調(diào)節(jié)計算機

10、軟件相關(guān)參數(shù)時出現(xiàn)的偏差七思考題1.掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什么是量子隧道效應(yīng)？答: 根據(jù)隧道電流 S為針尖與樣品距離，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)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，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。對于經(jīng)典物理學來說，當一個粒子的動能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

11、它能量更高的勢壘這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。2.掃描隧道顯微鏡主要常用的有哪幾種掃描模式？各有什么特點？答：掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。= 恒電流模式：如圖（a）所示x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。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)動的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。= 恒高度模式：如圖(b)所示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.儀器中加在針尖與樣品間的偏壓是起什么作用的？針尖偏壓的大小對實驗結(jié)果何影響？答: 根據(jù)公式 Vb為起偏電壓，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 (通常小于1nm) 時，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，從而根據(jù)不同位置隧道電流和探針與物品距離的上述關(guān)系繪出表面三