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文檔簡介
1、掃描隧道顯微鏡中文名稱:掃描隧道顯微鏡 英文名稱:scanning tunnel microscope;STM 定義:利用量子隧道效應產(chǎn)生隧道電流的原理制作的顯微鏡。其分辨率可達原子水平,即觀察到原子級的圖像。在生物學中,可觀察大分子和生物膜的分子結(jié)構(gòu)。 所屬學科:細胞生物學(一級學科);細胞生物學技術(shù)(二級學科) 本內(nèi)容由全國科學技術(shù)名詞審定委員會審定公布 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡亦稱為“掃描穿隧式顯微鏡”、“隧道掃描顯微鏡”,是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。它于1981年由格爾德賓寧(GBinning)及海因里希羅雷爾(HRohrer)在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎
2、世實驗室發(fā)明,兩位發(fā)明者因此與恩斯特魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。目錄 HYPERLINK /view/381283.htm l 1#1 簡介 HYPERLINK /view/381283.htm l 2#2 基本結(jié)構(gòu) HYPERLINK /view/381283.htm l 2_1#2_1 隧道針尖 HYPERLINK /view/381283.htm l 2_2#2_2 三維掃描控制器 HYPERLINK /view/381283.htm l 2_3#2_3 減震系統(tǒng) HYPERLINK /view/381283.htm l 2_4#2_4 電子學控制系統(tǒng) HYPERLINK /v
3、iew/381283.htm l 2_5#2_5 在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件 HYPERLINK /view/381283.htm l 3#3 工作原理 HYPERLINK /view/381283.htm l 4#4 工作模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 4_1#4_1 恒電流模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 4_2#4_2 恒高度模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 5#5 具體應用 HYPERLINK /view/381283.htm l 5_1#5_1 掃描 HYPERLINK /view/381
4、283.htm l 5_2#5_2 探傷及修補 HYPERLINK /view/381283.htm l 5_3#5_3 微觀操作 HYPERLINK /view/381283.htm l 6#6 優(yōu)越性 HYPERLINK /view/381283.htm l 7#7 局限性 HYPERLINK /view/381283.htm l 8#8 產(chǎn)品評價 HYPERLINK /view/381283.htm l 1 簡介 HYPERLINK /view/381283.htm l 2 基本結(jié)構(gòu) HYPERLINK /view/381283.htm l 2_1 隧道針尖 HYPERLINK /vie
5、w/381283.htm l 2_2 三維掃描控制器 HYPERLINK /view/381283.htm l 2_3 減震系統(tǒng) HYPERLINK /view/381283.htm l 2_4 電子學控制系統(tǒng) HYPERLINK /view/381283.htm l 2_5 在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件 HYPERLINK /view/381283.htm l 3 工作原理 HYPERLINK /view/381283.htm l 4 工作模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 4_1 恒電流模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 4_2 恒
6、高度模式 HYPERLINK /view/381283.htm l 5 具體應用 HYPERLINK /view/381283.htm l 5_1 掃描 HYPERLINK /view/381283.htm l 5_2 探傷及修補 HYPERLINK /view/381283.htm l 5_3 微觀操作 HYPERLINK /view/381283.htm l 6 優(yōu)越性 HYPERLINK /view/381283.htm l 7 局限性 HYPERLINK /view/381283.htm l 8 產(chǎn)品評價簡介掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮
7、寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具,掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子,它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外,掃描隧道顯微鏡在低溫下(4K)可以利用探針尖端精確操 掃描隧道顯微鏡1縱原子,因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。 STM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)的物化性質(zhì),在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景,被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一23。 基本結(jié)構(gòu)隧道針尖隧道針尖的結(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
8、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)。 針尖的宏觀結(jié)構(gòu)應使得針尖具有高的彎曲共振頻率,從而可以減少相位滯后,提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖,那么隧道電流就會很穩(wěn)定,而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高,就不會涉及系列勢壘。例如,針尖表面若有氧化層,則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值,從而導致針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前,二者就發(fā)生碰撞2。 目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成型法等。 制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑- 銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學腐蝕法。而鉑- 銥合金針尖則多用機械成型法,一般 直接用剪刀剪
9、切 而成。不論哪一種針尖,其表面往往覆蓋著一層氧化層,或吸附一定的雜質(zhì),這經(jīng)常是造成隧道電流不穩(wěn)、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此,每次實驗前,都要對針尖進行處理,一般用化學法清洗,去除表面的氧化層及雜質(zhì),保證針尖具有良好的導電性2。 三維掃描控制器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。 壓電陶瓷利用了壓電現(xiàn)象。所謂的壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受 掃描出的納米級圖像4到機械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電場,或給晶體加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多化合物的單晶,如石英等都具有壓電
10、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的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移2。 用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有以下幾種 三腳架型,由三根獨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,三條腿獨立地伸展與收縮,使針尖沿x-y-z三個方向運動。 單管型,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(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定),導致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的
11、兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現(xiàn)在x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內(nèi)壁電極施加電壓使管子整體收縮實現(xiàn)的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側(cè)膨脹,相對的另一側(cè)收縮,增加掃描范圍,亦可以加上直流偏置電壓,用于調(diào)節(jié)掃描區(qū)域。 十字架配合單管型,z方向的運動由處在“十”字型中心的一個壓電陶瓷管完成,x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結(jié)構(gòu)的x-y掃描單元是一種互補結(jié)構(gòu),可以在一定程度上補償熱漂移的影響。 除了使用壓電陶瓷,還有一些三維掃描控制器使用螺桿、簧片、電機等進行機械調(diào)控。 減震系統(tǒng)由于儀器工作時針尖與樣品
12、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。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手2。 電子學控制系統(tǒng)掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統(tǒng),因此,電子學控制系統(tǒng)也是一個重要的部分。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。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學控制控制系統(tǒng)的
13、框圖2。 在線掃描控制和離線數(shù)據(jù)處理軟件在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中,計算機軟件所起的作用主要分為“在線掃描控制”和“離線數(shù)據(jù)分析”兩部分。 掃描隧道顯微鏡拍下的“溴原子”5在線掃描控制 參數(shù)設置功能 在掃描隧道顯微鏡實驗中,計算機軟件主要實現(xiàn)掃描時的一些基本參數(shù)的設定、調(diào)節(jié),以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據(jù)圖象等。計算機軟件將通過計算機接口實現(xiàn)與電子設備間的協(xié)調(diào)共同工作。在線掃描控制中一些參數(shù)的設置功能如下: “電流設定”的數(shù)值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流,也代表著恒電流掃描過程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數(shù)值設定越大,這一恒定距離也越小。測量時“電流設定”一般在“0.5-1
14、.0nA” 范圍內(nèi)。 “針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用于產(chǎn)生隧道電流的電壓真實值。這一數(shù)值設定越大,針尖和樣品之間越容易產(chǎn)生隧道電流,恒電流模式中保持的恒定距離越小,恒高度掃描模式中產(chǎn)生的隧道電流也越大。“針尖偏壓”值一般設定在“50-100mV”范圍左右。 “Z電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實電壓。Z電壓的初始值決定了壓電陶瓷的初始狀態(tài),隨著掃描的進行,這一數(shù)值要發(fā)生變化。“Z電壓”在探針遠離樣品時的初始值一般設定在“-150.0mV -200.0mV”左右。 “采集目標”包括“高度”和“隧道電流”兩個選項,選擇掃描時采集的是樣品表面高度變化的信息還是隧道電流變化的信
15、息。 “輸出方式”決定了將采集到的數(shù)據(jù)顯示成為圖象還是顯示成為曲線。 “掃描速度”可以控制探針掃描時的延遲時間,該值越小,掃描越快。 “角度走向”是指探針水平移動的偏轉(zhuǎn)方向,改變角度的數(shù)值,會使掃描得到的圖象發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 “尺寸”是設置探針掃描區(qū)域的大小,其調(diào)節(jié)的最大值有量程決定。 “掃描隧道顯微鏡”下拍攝的“血細胞”6尺寸越小,掃描的精度也越高,改變尺寸的數(shù)值可以產(chǎn)生掃描圖象的放大與縮小的作用。 “中心偏移”是指掃描的起始位置與樣品和針尖剛放好時的偏移距離,改變中心偏移的數(shù)值能使針尖發(fā)生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是當前量程決定的最大尺寸。 “工作模式”決定掃描模式是恒電流模式還是恒高
16、度模式。 “斜面校正”是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時所做的軟件校正。 “往復掃描”決定是否進行來回往復掃描。 “量程”是設置掃描時的探測精度和最大掃描尺寸的大小。 這些參數(shù)的設置除了利用在線掃描軟件外,利用電子系統(tǒng)中的電子控制箱上的旋鈕也可以設置和調(diào)節(jié)這些參數(shù)2。 馬達控制 當使用軟件控制馬達使針尖逼近樣品時,首先要確保電動馬達控制器的紅色按鈕處于彈起狀態(tài),否則探頭部分只受電子學控制系統(tǒng)控制,計算機軟件對馬達的控制不起作用。馬達控制軟件將控制電動馬達以一個微小的步長轉(zhuǎn)動,使針尖緩慢靠近樣品,直到進入隧道區(qū)為止。 馬達控制的操作方式為:“馬達控制”選擇“進”,點擊“連續(xù)”按鈕進行連續(xù)逼近,當檢
17、測到的隧道電流達到一定數(shù)值后,計算機會進行警告提示,并自動停止逼近,此時單擊“單步”按鈕,直到“Z電壓”的數(shù)值接近零時停止逼近,完成馬達控制操作2。 離線數(shù)據(jù)分析 離線數(shù)據(jù)分析是指脫離掃描過程之后的針對保存下來的圖象數(shù)據(jù)的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有:平滑、濾波、傅立葉變換、圖象反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、三維生成等。 平滑,平滑的主要作用是使圖象中的高低變化趨于平緩,消除數(shù)據(jù)點發(fā)生突變的情況。 濾波,濾波的基本作用是可將一系列數(shù)據(jù)中過高的削低、過低的添平。因此,對于測量過程中由于針尖抖動或其它擾動給圖象帶來的很多毛刺,采用濾波的方式可以大大消除。 傅立葉變換,快速傅立葉變換對于研究原子
18、圖象的周期性時很有效。 圖象反轉(zhuǎn),將圖象進行黑白反轉(zhuǎn),會帶來意想不到的視覺效果。 數(shù)據(jù)統(tǒng)計,用統(tǒng)計學的方式對圖象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。 三維生成,根據(jù)掃描所得的表面型貌的二維圖象,生成直觀美麗的三維圖象。 大多數(shù)的軟件中還提供很多其它功能,綜合運用各種數(shù)據(jù)處理手段,最終得到自己滿意的圖象2。 工作原理掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片,一根探針慢慢地通過要被分析的材料(針尖極為尖銳,僅僅由一個原子組成)。一個小小的電荷被放置在探針上,一股電流從探針流出,通過整個材料,到底層表面。當探針通過單個的原子,流過探針的電流量便有所不同,這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子
19、的時候有漲有落,如此便極其細致地探出它的輪廓。在許多的流通后,通過繪出電流量的波動,人們可以得到組成一個網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的單個原子的美麗圖片。 工作模式 用掃描隧道顯微鏡拍攝到的圖像恒電流模式利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ,使其保持恒定。再通過計算機系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描,即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流 I 不變,針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變,因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動,高度的信息也就由此反映出來。這就是說,STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面,顯微圖象質(zhì)量高,應用廣泛78。 恒高度模式 STM工作
20、原理在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變;于是針尖與樣品表面的局域距離將發(fā)生變化,隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化;通過計算機記錄隧道電流的變化,并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來,即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到:STM工作的特點是利用針尖掃描樣品表面,通過隧道電流獲取顯微圖像,而不需要光源和透鏡。這正是得名“掃描隧道顯微鏡”的原因78。 具體應用掃描STM工作時,探針將充分接近樣品產(chǎn)生一高度空間限制的電子束,因此在成像工作時,STM具有極高的空間分辯率,可以進行科學觀測7。 探傷及修補STM在對
21、表面進行加工處理的過程中可實時對表面形貌進行成像,用來發(fā)現(xiàn)表面各種結(jié)構(gòu)上的缺陷和損傷,并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷連線,以消除缺陷,達到修補的目的,然后還可用STM進行成像以檢查修補結(jié)果的好壞7。 微觀操作引發(fā)化學反應 STM在場發(fā)射模式時,針尖與樣品仍相當接近,此時用不很高的外加電壓(最低可到10V左右)就可產(chǎn)生足夠高的電場,電子在其作用下將穿越針尖的勢壘向空間發(fā)射。這些電子具有一定的束流和能量,由于它們在空間運動的距離極小,至樣品處來不及發(fā)散,故束徑很小,一般為毫微米量級,所以可能在毫微米尺度上引起化學鍵斷裂,發(fā)生化學反應78。 用STM移動氙原子排出的“IBM”圖案移動,刻寫樣品
22、當STM在恒流狀態(tài)下工作時,突然縮短針尖與樣品的間距或在針尖與樣品的偏置電壓上加一脈沖,針尖下樣品表面微區(qū)中將會出現(xiàn)毫微米級的坑、丘等結(jié)構(gòu)上的變化。針尖進行刻寫操作后一般并未損壞,仍可用它對表面原子進行成像,以實時檢驗刻寫結(jié)果的好壞7。 移動針尖進行刻寫的辦法主要有兩種 在反饋電路正常工作時,通過調(diào)節(jié)參考電流或偏置電壓的大小來調(diào)節(jié)針尖與樣品間的接觸電阻,達到控制針尖移動的目的。當加大參考電流或減小偏壓時為保證恒流工作,反饋將控制針尖移向樣品,從而減小接觸電阻。 當STM處于隧道狀態(tài)時,固定反饋線路的輸出信號,關(guān)閉反饋,然后通過改變控制Z向運動的壓電陶瓷上所加電壓的大小來改變針尖與樣品的間距,這
23、種方法較前者能夠更線性地控制隧道結(jié)寬度的變化,相對來說是較為理想的辦法。 刻寫的結(jié)果與針尖的清潔程度有密切關(guān)系。已經(jīng)污染的針尖接觸表面后將產(chǎn)生一小坑;未使用過的清潔的針尖接觸表面則產(chǎn)生一小丘。清潔針尖在表面上產(chǎn)生小丘的原因是由于它與表面有粘接現(xiàn)象,此時若想使針尖與樣品的間距恢復到與表面接觸前的情況,針尖必須退回更多,這從另一個角度說明針尖的粘接已使表面產(chǎn)生一凸起部分。針尖的污染將會阻止它對表面的粘接,故使用過的針尖接觸表面后將會刻出一個小坑,坑的周圍還會有原先在坑內(nèi)的原子翻出堆成的凸起邊緣72。 室溫下在Au及Ag等金屬表面上刻寫出的微細結(jié)構(gòu)在室溫下總是不穩(wěn)定的,由于金屬原子的擴散,這些結(jié)構(gòu)最
24、多在幾小時內(nèi)就會模糊以至消失。 在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上運用STM刻出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)卻是可能的。刻寫時,針尖向樣品移進2nm時,小坑深(從邊緣算起)0.7nm。在室溫條件下及超高真空中,這些圖形具有高穩(wěn)定性,經(jīng)很長時間后亦不發(fā)生變化7。 STM可在金屬玻璃上進行刻寫操作,小丘的大小隨偏壓的增加而增加。產(chǎn)生小丘的原因通常認為是由于高電流密度引起了襯底的局部熔化,這些熔化物質(zhì)在針尖負偏壓產(chǎn)生的靜電場作用下,會形成一突起的泰勒錐,電流去掉后,這個錐立即冷卻下來,在表面上形成一小丘并不是所有的表面都可如此形成小丘的。襯底的熔點決定了局部熔化時所需的熱量;對于點源電子束,襯底實際獲
25、取熱量不僅與電流密度有關(guān),還取決于電子在其中的平均自由程及所用襯底的熱傳導系數(shù);對于無序的金屬化玻璃Rh25Zr75,由于電子在其中的平均自由程較晶體及多晶金屬小一百倍,且熔點不是非常高,為1340K,因此電子束入射時其獲取熱量較多,相對較易被熔化,故容易在其上如此形成小丘7。 優(yōu)越性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 在平行于樣品表面方向上的分辨率分 STM恒電流工作方式觀測超細金屬微粒9別可達 0.1 nm 和 0.01 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
26、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、超一身地創(chuàng)、電化學反應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
27、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2。 局限性盡管STM有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優(yōu)點,但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個方面 STM的恒電流工作模式下,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。在恒高度工作方式下,從原理上這種局限性會有所改善。但只有采用非常尖銳的探針,其針尖半徑應遠小于粒子之間的距離,才能避免這種缺陷。在觀測超細金屬微粒擴散時,這一點顯得尤為重要810。 STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性,對于半導體,觀測的效果就差于導體;對于絕緣體則根本無法直接觀
28、察。如果在樣品表面覆蓋導電層,則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補STM這方面的不足10。 此外,在目前常用的(包括商品)STM儀器中,一般都沒有配備FIM,因而針尖形狀的不確定性往往會對儀器的分辨率和圖象的認證與解釋帶來許多不確定因素810。 產(chǎn)品評價1981年隨著掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope)的發(fā)明,物理學家作出了一個突破,它為在蘇黎世(Zurich)的IBM實驗室工作的科學家蓋爾德賓尼(Gerd Bining)和海因里希羅雷爾(Heinrich Rohrer)贏得了諾貝爾獎
29、。 突然間,物理學家獲得了單個原子們排列成化學書中的模樣的驚人“圖像”,這是曾被原子理論的批評者們認為不可能的情形。排列在水晶和金屬中的原子的絢麗照片如今已成為可能。科學家們常常使用的化學式中有一系列復雜的原子包裹在一個分子中,可以用肉眼看見。此外,掃描隧道顯微鏡使得操控單個原子有了可能性。事實上,“IBM”三個字母被使用原子給拼寫了出來,在科學界制造了一陣轟動??茖W家們在操控單個原子時不再茫然了,而是能夠確實看到它們,與它們嬉戲。參考資料 1 掃描隧道顯微鏡 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_1#ref_1 o 向上跳轉(zhuǎn) 2 中國科技大學物理實驗網(wǎng)絡課程 HY
30、PERLINK /view/381283.htm l ref_2#ref_2 o 向上跳轉(zhuǎn) HYPERLINK /jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part1/4-6.html l 0 t _blank /jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part1/4-6.html#03 維基百科(掃描隧道顯微鏡)(中文) HYPERLINK /view/381283.htm l ref_3#ref_3 o 向上跳轉(zhuǎn) 4 科學家掃描出令人驚嘆的納米級圖像 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_4#ref_4 o 向上跳轉(zhuǎn) 5 掃描隧道顯微鏡拍下的dna HYP
31、ERLINK /view/381283.htm l ref_5#ref_5 o 向上跳轉(zhuǎn) 6 “掃描隧道顯微鏡”下拍攝的“血細胞” HYPERLINK /view/381283.htm l ref_6#ref_6 o 向上跳轉(zhuǎn) 7 STM在微加工中的應用 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_7#ref_7 o 向上跳轉(zhuǎn) 8 STM的工作原理 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_8#ref_8 o 向上跳轉(zhuǎn) 9 掃描隧道顯微鏡原理 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_9#ref_9 o 向上跳轉(zhuǎn) 10 本原
32、納米儀器有限公司產(chǎn)品介紹 HYPERLINK /view/381283.htm l ref_10#ref_10 o 向上跳轉(zhuǎn) 掃描隧道顯微鏡的原理及應用綜述 摘要 掃描隧道顯微鏡()的發(fā)明打開了人類對微觀世界觀察的大門,使得人類在納米尺度上研究單一原子以及單一分子的反應成為可能。本文簡要介紹了掃描隧道顯微鏡的工作原理以及掃描探針顯微技術(shù)在化學、生物及物理學等領域的作用和應用前景。最后還揭示了其一定的局限性。關(guān)鍵字 掃描隧道顯微鏡 () 隧道效應 掃描隧道顯微術(shù)應用 引言 在光學顯微鏡和電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和性能得到不斷完善的同時,基于其它各種原理的顯微鏡也不斷問世。其中,1982年賓尼(G. Bi
33、nnig)和羅雷爾(H.Rohrer)等人研制成功的掃描隧道顯微鏡()是顯微鏡領域的新成員。這種新型顯微儀器的誕生,使人類能夠?qū)崟r地觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和研究與表面電子行為有關(guān)的物理化學性質(zhì),對表面科學、材料科學、生命科學以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應用價值。兩位科學家因此與電子顯微鏡的發(fā)明者 圖 G.Binnig H.RohrerE Ruska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎。近年來,在的基礎上又發(fā)展出了另一種掃描探針顯微鏡-原子力顯微鏡()?,F(xiàn)在一般將和合稱(掃描探針顯微鏡)。二、隧道效應和掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡的主要原理是利用量子力學中的隧道效應。是一種通過探
34、測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。若一質(zhì)量為 m 的粒子沿軸運動時,其勢能函數(shù)可表示為 V (0 X L)V(x)= 0 ( X,xL) 勢能曲線如圖(書本334 figure 12.9)這種形式的勢場稱為一維方勢壘,V為勢壘高度,L為勢壘寬度,二者均為有限量值。設一個能量為E(小于V)的粒子自左側(cè)入射到勢壘上。按經(jīng)典力學理論,粒子只能從壁壘被反射回來,絕不可能進入勢壘,更不可能穿過勢壘而到達勢壘右側(cè)區(qū)域。因為粒子的能量是動能和勢能之和,而VE,若粒子進入勢壘,就必然出現(xiàn)“負動能”,顯然這是不可能的。但根據(jù)量子力學原理,由于粒子存在波動性,當一個粒子處在一個勢壘之
35、中時,粒子越過勢壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零,這種現(xiàn)象稱為隧道效應。由于電子的隧道效應,金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi),電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外,電子云密度呈指?shù)衰減,衰減長度約為1nm。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針,將它與被研究物質(zhì)即樣品的表面作為兩個電極,當樣品表面與針尖非??拷?距離1nm)時,兩者的電子云略有重疊,如圖2 所示。若在兩極間加上電壓U,在電場作用下,電子就會穿過兩個電極之間的勢壘,通過電子云的狹窄通道流動,從一極流向另一極,形成隧道電流 I。隧道電流 I的大小與針尖和樣品間的距離S 以及樣品表面平均勢壘的高度有關(guān)。若兩極間的
36、波函數(shù)如書中所給(P337 Box 12.1 Discussion questions 1),其中(V-E)即勢壘高度 。則當兩極之間加很小的直流電壓時, 隧道電流密度為 圖2 金屬表面與針尖的電子云 其中A=4(2m)1/2/h由此可見,隧道電流 I 對針尖與樣品表面之間的距離 s 極為敏感,當距離改變一個原子臺階的大小(0.2nm0.3nm)時,電流將改變1000倍。如 Discussion questions 1中提供的情景,S 從0.5nm增大到0.6nm,V-E=2.0 ev 時,帶入數(shù)值計算,電流將減少一個數(shù)量級。因此,利用電子反饋線路來控制隧道電流I的恒定(恒流模式),利用壓電陶
37、瓷材料來控制針尖在樣品表面上的掃描,則探針在垂直于樣品方向上的高低變化,就反映出了樣品表面的起伏,然后通過微機進行數(shù)據(jù)處理。對于表面起伏不大的樣品,可以控制針尖高度恒定掃描(恒高模式),通過記錄隧道電流的表化來得到表面態(tài)密度的分布。圖3 STM的結(jié)構(gòu)總之,通俗的講,STM就是在給定的偏壓下(針尖和樣品之間)通過測量表面隧道電流和針尖與表面的距離對應關(guān)系??山普J為,其測量的是表面的局域態(tài)密度的變化。而這種局域態(tài)密度與表面波函數(shù)密切相關(guān),因此可近似認為,STM能夠測量表面波函數(shù)。進而,通過測量體系的I-V(隧道電流-偏壓)曲線(即隧道掃描譜,STS)就可以測量表面的局域能級和精細結(jié)構(gòu),獲得研究對象的諸多信息。圖 二氧化鈦掃描隧道譜圖形 此外,也是利用細小的探針讀樣品表面進行恒定高度的掃描,來對樣品進行“觀察”,但它不是通過隧道電流,而是一個激光裝置來監(jiān)測探針歲樣品表面的升降變化來獲取樣品表面形貌的信息,因此與不同,可以用于對不具導電性,或者導電能力較差的樣品進行觀察。利用光學中受抑全反射理論,人們還研制成功了光子掃描隧道顯微鏡(PST),它可以用于不導電樣品的觀測。 三、掃描探針顯微技術(shù)的應用 SP作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有明顯的優(yōu)勢:首先,SP M得到的是真實的樣品表面、原子級別的高分辨率圖象。而不同于某些
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