掃描隧道顯微鏡分析原理及方法

掃描隧道顯微鏡分析原理及方法第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六概述優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用原理STM儀器局限性與發(fā)展第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

概述：

1933年，德國(guó)和等人在柏林制成第一臺(tái)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：TEM、SEM、FEM、FIM、LEED、AES等。1982.年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的GerdBinnig博士和HeinrichRohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器——STM。它的出現(xiàn)使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)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(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重廣闊的前景，被國(guó)際科學(xué)界認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用：具有原子級(jí)高分辨率。表面原子結(jié)構(gòu)的研究：表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖象?？蓪?shí)時(shí)觀測(cè)性可用與表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過程的研究工作環(huán)境范圍廣。真空、大氣、常溫。水或其它溶液。因此特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，如對(duì)多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過程中電極表面的監(jiān)測(cè)等配合STS可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息。表面態(tài)的研究：表面電子態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘變化和能隙結(jié)構(gòu)等第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六紅細(xì)胞三維圖像DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)細(xì)胞膜的表面結(jié)構(gòu)細(xì)胞生長(zhǎng)第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

ＳＴＭ與ＥＭ、ＦＩＭ的各項(xiàng)性能指標(biāo)比較分辨率工作環(huán)境樣品環(huán)境溫度對(duì)樣品破壞程度檢測(cè)深度ＳＴＭ原子級(jí)（垂直０。０１nm）（橫向０。１nm）實(shí)環(huán)境、大氣、溶液、真空室溫或低溫?zé)o１～２原子層ＴＥＭ點(diǎn)分辨（０。３～０。５ｎｍ）晶格分辨（０。１～０。２ｎｍ）高真空室溫小〈１００ｎｍＳＥＭ６～１０ｎｍ高真空室溫?。保埃恚恚ǎ保氨稌r(shí)）１ｍ（１０００倍時(shí)）ＦＩＭ原子級(jí)超高真空３０～８０ｋ有原子厚度第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六Atunnelingcurrent掃描隧道顯微鏡

(1981)tipsampleI

e2d=

A

+)隧道電流分辨率(nm)0.1eff0.05nm10AA＝3第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六原理：第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六STM儀器：電子反饋系統(tǒng)控制隧道電流計(jì)算機(jī)控制針尖掃描針尖將隨樣品表面起伏而起伏得到表面的第三維信息第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六STM儀器：振動(dòng)隔絕系統(tǒng)合成橡膠緩沖墊彈簧懸掛磁性渦流阻尼機(jī)械設(shè)計(jì)壓電陶瓷隧道針尖計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件軟件第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六機(jī)械設(shè)計(jì)：

在ｚ方向的伸縮范圍至少為１ｍ，精度約為０。０１ｎｍ在ｘ和ｙ方向的掃描范圍至少為１ｍｘ１ｍ，精度應(yīng)在左右０。０１ｎｍ在ｚ方向機(jī)械調(diào)節(jié)的精度應(yīng)高于０。１ｍ，其精度至少應(yīng)在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器方向長(zhǎng)度變化范圍內(nèi)，這個(gè)變化范圍由驅(qū)動(dòng)點(diǎn)壓和壓電陶瓷材料的壓電系數(shù)所決定。機(jī)械調(diào)節(jié)的范圍應(yīng)在１ｍｍ以上能在較大的范圍內(nèi)選擇感興趣的區(qū)域掃描針尖與樣品之間的間隙盡可能具有較高的穩(wěn)定性，即具有較高的機(jī)械振動(dòng)頻率在理想的機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足如下要求：

第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六壓電陶瓷：壓電現(xiàn)象第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六隧道針尖：隧道針尖結(jié)構(gòu)的影響制備針尖的方法：電化學(xué)腐蝕法、機(jī)械成型法第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

STM儀器：隧道針尖結(jié)構(gòu)的影響SchematicsandImageProfilesofSpheresScannedwithaSharp(left)andDull(right)Probe第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六InTouchwithAtoms第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六?Theaccumulationofdebrisontheendofthetipcanalsodullthetipandresultinimagedistortion,asshownbelow.SchematicandImageProfileofTrenchesScannedwithaDirtyTip第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六DullorDirtyTipIfthetipbecomeswornorifdebrisattachesitselftotheendofthetip,thefeaturesintheimagemayallhavethesameshape.Whatisreallybeingimagedisthewornshapeofthetiportheshapeofthedebris,notthemorphologyofthesurfacefeatures.第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六DoubleorMultipleTipsDoubleormultipletipimagesareformedwithatipwithtwoormoreendpointswhichcontactthesamplewhileimaging.Theaboveimagesareexamples第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六Loosedebrisonthesamplesurfacecancauselossofimageresolutionandcanproducestreakingintheimage.Theimageontheleftisanexampleofthelossofresolutionduetothebuildupofcontaminationonthetipwhenscanningfrombottom-to-top.Theimageontherightisanexampleofskipsandstreakingcausedbyloosedebrisonthesamplesurface.第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：硬件

第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：軟件掃描表面掃描掃描隧道譜功函數(shù)譜定標(biāo)定標(biāo)視圖圖象處理濾波對(duì)比度拉伸三維表面顯示納米加工第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六HL-II型掃描探針顯微鏡操作界面forwindows9x使用方便幫助系統(tǒng)完善參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)多通道采集參數(shù)自動(dòng)保存可離線處理可改變色階第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六GdC82-Peapod具有空間分辨的局域電子態(tài)00.20.4-0.4-0.2SampleBias(V)dI/dV

(A.U.)00.20.4-0.4-0.2SampleBias(V)dI/dV

(A.U.)0.3eV0.5eVKhangetal.,KoreaUniv.

第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六HL-II型掃描探針顯微鏡高度定標(biāo)功能長(zhǎng)度定標(biāo)功能第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六HL-II型掃描探針顯微鏡第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

局限性與發(fā)展:局限不能準(zhǔn)確探測(cè)微粒間的某些溝槽要求樣品必須是導(dǎo)體、半導(dǎo)體第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六局限性與發(fā)展:發(fā)展AFM(AtomicForceMicroscope)LFM(LaserForceMicroscope)MFM(MagneticForceMicroscope)EFM(ElectrostaticForceMicroscope)BEEM(Ballistic-Electron-EmissionMicroscope)SICM(ScanningIon-ConductanceMicroscope)STP(ScanningTunnelingPotentiometry)PSTM(PhotonScanningTunnelingMicroscope)SNOM(ScanningNear-FieldOpticalMicroscope)第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六AFM第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六HL-II型掃描探針顯微鏡探頭集STM,AFM為一體掃描范圍可手工粗調(diào)樣品厚度可達(dá)10mm演示文稿3.ppt第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期六

我國(guó)掃描探針顯微鏡開發(fā)和生產(chǎn)1987年依托在中國(guó)科學(xué)院北京科儀中心的中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)所研制完成了我國(guó)第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡。此后，化學(xué)所，北京大學(xué),上海原子核研究所等十余