掃描探針顯微術(shù)

掃描探針顯微術(shù)

----通向納米世界的橋梁

引言顯微術(shù)的發(fā)展歷史諾貝爾物理獎。掃描探針顯微術(shù)中最早研制成功的是掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscopy,STM）。1981年在IBM公司瑞士蘇黎世實驗室工作的G.賓尼希,（G·Binning）和H.羅雷爾（H·Rohrer）利用針尖和表面間的隧道電流隨間距變化的性質(zhì)來探測表面的結(jié)構(gòu)，獲得了實空間的原子級分辨圖象。光學顯微鏡，利用透鏡對光線的折射，使物體形成比自身大幾百倍的象，人們可以看到如細胞、晶粒那樣細小的物體。但是光的波動性產(chǎn)生的衍射效應(yīng)使光學顯微鏡的分辨極限只能達到光波的半波長左右，確切地以下式表示：其中λ為波長，α為物鏡的孔徑角，N為折射率，d為最小可分辨長度。顯然在可見光范圍內(nèi)d的最小值約為0.3μm。

電子的德布羅意波長

100KeV的高能電子的波長為.0037nm?！，F(xiàn)代高分辨透射電子顯微鏡（TransmissionElectronMicroscopy,TEM）分辨率優(yōu)于0.3nm，晶格分辨率可達0.1～0.2nm。

技術(shù)名稱分辨本領(lǐng)工作環(huán)境對樣品影響檢測深度

STMd:0.01nm大氣、液體d:0.1nm、真空均可無損1～2個原子層TEMd:無d:0.2nm高真空中樣品厚0.1mSEMd:低d:6～10nm高真空小1mFIMd:0.2nm高真空大1個原子層J=e2/h(k0/4π2s)vtexp(-2k0s)

j和極間距s成指數(shù)關(guān)系，若φ≈5eV，則s增加0.1nm時，電流改變一個數(shù)量級。

掃描隧道顯微鏡隧道電流含有表面電子態(tài)密度的信息，這一點在對圖象進行解釋時必須加以注意。改變偏壓V或電極間距S觀察隧道電流的變化，即可得出電流電壓隧道譜和電流間隙特性譜，隧道譜含有豐富的表面電子結(jié)構(gòu)信息。原理STM的工作模式(a)恒高度模式（保持針尖高度）。

若以針尖為一電極，被測固體表面為另一電極，當它們之間的距離小到nm數(shù)量級時,電子可以從一個電極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢壘到達另一電極形成電流，其電流大小取決于針尖與表面間距及表面的電子狀態(tài)，如果表面是由同一種原子組成，由于電流與間距成指數(shù)關(guān)系，當針尖在被測表面上方做平面掃描時，即使表面起伏僅有原子尺度的起伏，電流卻有成十倍的變化，這樣就可用現(xiàn)代電子技術(shù)測出電流的變化，它反映了表面的起伏，恒電流模式

當樣品表面起伏較大時，由于針尖離樣品僅納米高度，恒高度模式掃描會使針尖撞擊樣品表面造成針尖損壞，此時可將針尖安放在壓電陶瓷上，控制壓電陶瓷上電壓，使針尖在掃描中隨表面起伏上下移動，在掃描過程中保持隧道電流不變（即間距不變）壓電陶瓷上的電壓變化即反映了表面的起伏。.掃描隧道顯微鏡結(jié)構(gòu)Icouldnotstoplookingattheimages.Itwaslikeenteringanewworld.Thisappearedtomeastheunsurpassablehighlightofmyscientificcareerandtherefore,inaway,itisend.HeinirealizedmymoodandwhiskedmeawayforsomedaystoSt.antonien,aCharmingvillagehighupintheSwissmountains,wherewewrotethepaperon7*7------G,Binning古今之成大事業(yè)、大學問者，必經(jīng)過三種之境界昨夜西風凋碧樹。獨上高樓望盡天涯路衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴眾里尋他千百度，募然回首，那人卻在燈火闌柵處原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscopy,AFM）

LateralForceMicroscopy

theBakerCleanJTB-1003leavesasurfacetopographythatisstatisticallyindistinguishablefromthatoftheinitialwafer.Ontheotherhand,theRCA-basedStandardCleannotonlyincreasesthemicroroughnessbutalsochangesothertopographicalfeaturesofthesurface.

其他附件圖1：用自組織方法制備的二維量子點光子晶體表面和側(cè)面的SEM圖圖2：用AFM針尖在二維量子點光子晶體表面誘導(dǎo)空位前后的AFM圖參考資料