掃描遂道及原子力

掃描遂道及原子力第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三透射電子顯微鏡（TEM，1931，Ruska）場離子顯微鏡（FIM，1951，Muller）掃描隧道顯微鏡（STM，1981，Binnig&Rohrer）

1986年，Ruska，BinnigandRohrer分享諾貝爾物理獎目前達到原子分辨的三種儀器：第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三高分辨顯微儀器主要特點儀器分辨率工作環(huán)境工作溫度對樣品破壞程度檢測深度SEM橫向：1nm縱向：低高真空/低真空室溫/低溫/高溫小1μmTEM橫向：0.1nm縱向：無高真空室溫/低溫/高溫中<100nmFIM橫向：0.2nm縱向：無超高真空30~80K大1個原子層STM橫向：0.1nm縱向：0.01nm真空/大氣/溶液室溫/低溫/高溫無1~2原子層第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三章掃描探針顯微分析掃描探針顯微分析概述掃描隧道顯微分析原子力顯微分析掃描探針顯微分析的應(yīng)用第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

一、掃描探針顯微鏡定義

掃描探針顯微鏡(Scanningprobemicroscopy,SPM)是用微探針在樣品表面描，通過針尖與樣品表面原子的物理化學作用以探測樣品的顯微鏡。

SPM完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念，其圖像分辨率主要取決于探針尖端的曲率半徑（通常在納米范圍）。

§3-1、掃描探針顯微分析概述第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

二、掃描探針顯微鏡發(fā)展

1981年，掃描隧道顯微鏡，第一種掃描探針顯微鏡第一次實時觀察單個原子；1986年，原子力顯微鏡，彌補了STM只能觀察導電材料的不足；1987，磁力顯微鏡、摩擦力顯微鏡1988，靜電力顯微鏡1989，掃描電化學顯微鏡1991，掃描此振力顯微鏡1984~1992，掃描近場光學顯微鏡第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

三、掃描探針顯微鏡分類

STM掃描隧道顯微鏡SFM掃描力顯微鏡(AFM、EFM、MFM、CFM、LFM)NSOM掃描近場光學顯微鏡PSTM光子掃描隧道顯微鏡SCM電容掃描顯微鏡BEEM彈道電子發(fā)射顯微鏡SThM掃描熱顯微鏡SVM掃描電壓顯微鏡第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

四、掃描探針顯微分析的特點

原子級高分辨率（橫向0.1nm縱向0.01nm）可實時得到在實空間中表面的三維圖像，用于材料表面結(jié)構(gòu)研究可觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)→如表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附等可在真空、大氣、液體、高溫、低溫等不同環(huán)境下工作，無特別制樣技術(shù)，適合生物樣品和在不同實驗條件下對樣品的表面評價配合掃描隧道譜，可得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息可對單個原子和分子進行操縱（STM）→對表面進行納米級微加工體積小、成本低

第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

掃描探針顯微分析的特點局限性：

只能觀測表面，不能探測深層信息；

探針質(zhì)量隨機性大，測試結(jié)果在很大程度上依賴于操作者；探針掃描范圍?。▇μm）難以對觀察點精確定位。第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

一、概述

掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope，STM)，是以量子力學的隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用一個極細的尖針在樣品表面掃描以獲得樣品表面形貌的顯微方法。當針尖和樣品表面靠得很近（<1nm），針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓（2mV~2V），電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成隧道電流，電流強度和針尖與樣品間的距離有函數(shù)關(guān)系。通過控制針尖與樣品表面間距或隧道電流的恒定，并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關(guān)表面信息記錄下來?！?-2、掃描隧道顯微分析第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

1.自由電子模型經(jīng)典自由電子論→將金屬中的傳導電子看作自由電子經(jīng)典氣體，服從麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計規(guī)律；近代自由電子論→將金屬中的傳導電子看作自由電子費米氣體，服從費米-狄喇克統(tǒng)計規(guī)律。二、STM原理第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三T=0K（基態(tài)）T>0K10102kT-費米能級K-波爾茲曼常數(shù)T-絕對溫度第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

2.隧道效應(yīng)在金屬的邊界上，存在比εf

高的位壘Φ，在金屬中的自由電子只有εf>Φ的電子才能從金屬內(nèi)逸出。另一方面，量子力學還認為自由電子還具有波動性，電子波向金屬表面?zhèn)鞑ビ龅奖砻嫖粔睛禃r，部分反射，部分透射，這樣在一定溫度下，部分電子穿透金屬表面位壘，形成表面電子云，即產(chǎn)生隧道效應(yīng)。Φ第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

3.隧道電流

當兩種金屬靠得很近時（<1nm），兩種金屬的電子云將互相滲透。當加上適當?shù)钠珘簳r，即使未真正接觸，也會有電流產(chǎn)生。該現(xiàn)象為隧道效應(yīng)，該電流為隧道電流。在低溫低壓下，隧道電流I可近似表達為：

IT∝exp（-2kd）式中，IT-隧道電流，d-樣品與針尖的距離，k-常數(shù)在典型條件下，k=10nm-1，可得每當d減小0.1nm，IT將增大一個數(shù)量級，說明隧道電流I對樣品表面的微觀起伏特別敏感。第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三?d有0.1nm的變化；?I將有數(shù)量級的變化隧道電流的變化曲線

d第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三4.STM工作原理

第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

根據(jù)掃描過程中針尖與樣品間相對運動的不同，可將STM的工作原理分為：恒電流模式恒高度模式

三、STM工作方式第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

此時針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡，直接反映了樣品表面態(tài)密度的分布，而樣品的表面態(tài)密度與樣品的高低起伏程度有關(guān)。恒電流模式是目前STM常用的工作模式，適合于觀察表面起伏較大的樣品。1.恒電流模式控制樣品與針尖間的距離不變，則當針尖在樣品表面掃描時，由于樣品表面高低起伏，勢必引起隧道電流變化。此時通過電子反饋系統(tǒng)，驅(qū)動針尖隨樣品的高度變化而做升降運動，以確保針尖與樣品間距離保持不變。第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三2.恒高度模式

控制針尖在樣品表面某一水平面上掃描，針尖的運動軌跡如圖。則隨著樣品表面的高低起伏，隧道電流不斷變化。通過記錄隧道電流的變化，可得到樣品表面的形貌圖。第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三1.STM結(jié)構(gòu)一般由STM探測單元、電子控制單元和計算機控制單元三部分組成。①STM探測單元由STM探頭、減震裝置、前置放大器組成。

STM探頭由探針、樣品臺、三維掃描控制器、粗調(diào)裝置組成。探針：鎢、鉑銥合金兩種制備：電化學腐蝕

四、STM系統(tǒng)與實驗方法第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三②電子線路探測單元反饋、驅(qū)動電路組成。③計算機控制單元儀器控制、數(shù)據(jù)采集、存儲和圖像顯示與處理。

第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

２.STM制樣表面光潔度和清潔度要求極高。①金屬樣品精密機加工→金相砂紙打磨→拋光（機械／電解）→離子轟擊→高溫退火。②半導體過程同上，特別注意防止氧化和污染。③陶瓷等不導電樣品將樣品制成薄膜，均勻覆蓋在導電性良好的襯底上。

第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三１．金屬表面研究２．材料組織與相結(jié)構(gòu)、相變及擴散研究３．半導體材料表面結(jié)構(gòu)研究

五、STM應(yīng)用第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三中科院化學所科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三光柵三維STM圖象第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

一、原理

原子力顯微鏡(AtomicForcemicroscope，AFM)，是使用一端固定，另一端裝有針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面形貌和其它表面性質(zhì)的方法。當針尖或樣品掃描時，同距離有關(guān)的針尖與樣品間的相互作用力就會引起微懸臂發(fā)生變形，用一束激光照射到微懸臂的背面，微懸臂將激光束反射到一個光電檢測器。檢測器不同相限接收到激光的強度差值同微懸臂的變形量會形成一定的比例關(guān)系。通過檢測電壓對樣品掃描位置的變化，就可以得到樣品表面的形貌。§3-３、原子力顯微分析第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三微懸臂彈力的大?。?/p>

F=k·ΔZK-彈性系數(shù)

ΔZ-位移由于F很小，k和ΔZ都必須很小。需要制作k和M都很小的微懸臂第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

二、AFM結(jié)構(gòu)1.力檢測部分2.位置檢測部分3.反饋系統(tǒng)第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三兩種類型的探針：氮硅化合物（左）和晶體硅（右）1.力檢測部分——探針第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

加寬效應(yīng)：第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

三、AFM工作方式1.接觸模式（contactAFMcontactAFM）針尖與樣品間作用力原子間的斥力10-8～10-11Ｎ2.非接觸式(non--contactMode)

針尖與樣品間作用力是很弱的長程力—范德華吸引力，

10-12Ｎ3.輕敲模式(TappingMode)第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三

探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動優(yōu)點：掃描速度快，分辨率高，可得到原子級分辨率圖像，適用于表面垂直變化大的樣品缺點：針尖易受損，樣品易變形，圖像扭曲

1.接觸模式第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三探針針尖始終不與樣品表面接觸優(yōu)點：對樣品完全沒有損傷，靈敏度高缺點：分辨率低，不適用于在液體中成像，掃描速度慢2.非接觸模式第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期三類似于非接觸模式,但微懸臂以共振頻率振蕩的振幅較大,約100nm,針尖在振蕩的底部均與樣品輕輕接觸優(yōu)點：保護針尖和