掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡原理及應用介紹

掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，STM）原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope,

AFM）報告人：董衛(wèi)民施淑穎1.STM的發(fā)明1982年，國際商業(yè)機器企業(yè)(IBM)蘇黎世研究所的賓尼和羅雷爾及其同事們成功地研制出世界上第一臺新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)。它使人類第一次能夠直接觀察到物質(zhì)表面上的單個原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究其有關(guān)的物理和化學特征。所以，它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發(fā)明被國際科學界公覺得20世紀80年代世界十大科技成就之一；因為這一杰出成就賓尼和羅雷爾取得了1986年諾貝爾物理獎。葛·賓尼?！ち_雷爾世界上第一臺掃掃描道顯微鏡2.STM的原理掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力學中的隧道效應。對于經(jīng)典物理學來說，當一種粒子的動能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，粒子能夠穿過比它能量更高的勢壘(如圖)這個現(xiàn)象稱為隧道效應。2.STM的原理隧道效應是因為粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應才會明顯。經(jīng)計算，透射系數(shù)T為：由公式可見，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。伴隨勢壘厚(寬)度a的增長，T將指數(shù)衰減，所以在一般的宏觀試驗中，幾乎觀察不到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。2.STM的原理隧穿電流STM是將原子程度的極細探針和樣品的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時(一般不不小于1nm)，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，形成隧穿電流，其大小為：V是加在針尖和樣品之間的偏置電壓A為常數(shù)，在真空條件下約等于1Φ為物質(zhì)表面的平均功函數(shù)S是針尖和樣品之間距離I是隧道電流隧穿電流強度對針尖和樣品之間的距離S有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增長約一種數(shù)量級。所以，當探針在樣品表面掃描時根據(jù)隧穿電流的變化，我們能夠得到樣品表面微小的高下起伏變化的信息，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。3.STM的工作模式恒流模式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統(tǒng)計紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且能夠經(jīng)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。3.STM的工作模式恒高模式在掃描過程中保持針尖的高度不變，經(jīng)過統(tǒng)計隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式一般用來測量表面形貌起伏不大的樣品。3.STM的儀器構(gòu)造STM由具有減振系統(tǒng)的頭部(含探針和樣品臺)、電子學控制系統(tǒng)和計算機構(gòu)成。壓電陶瓷或晶體因為儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用一般機械的控制是極難達成這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。3.STM的儀器構(gòu)造所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機械力發(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。許多晶體，如石英等都具有壓電性質(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樸的方式將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。用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。圖中為三腳架型，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，在電場的作用下三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動，從而控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描。4.STM的應用“看見”了此前所看不到的東西STM具有驚人的辨別本事，水平辨別率不不小于0.1納米，垂直辨別率不不小于0.001納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點一到零點幾種納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導電物質(zhì)表面的原子、分子狀態(tài)清楚可見。4.STM的應用實現(xiàn)了單原子和單分子操縱利用STM針尖與吸附在材料表面的分子之間的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面發(fā)生橫向移動，詳細又可分為“牽引”、“滑動”、“推動”三種方式。經(jīng)過某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動到新的位置，再將分子沉積在材料表面。經(jīng)過外加一電場，變化分子的形狀，但卻不破壞它的化學鍵能夠?qū)崿F(xiàn)單分子操縱。1990年，IBM企業(yè)的科學家展示了一項令世人震驚的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體原子構(gòu)成“IBM”三個英文字母。

世界首例STM原子操縱4.STM的應用單分子化學反應已經(jīng)成為現(xiàn)實單原子、單分子操縱在化學上是一種極具誘惑力且具有潛在應用“選鍵化學”，能夠?qū)Ψ肿觾?nèi)的化學鍵進行選擇性的加工。一種直觀的例子是由Park等人完畢的，他們將碘代苯分子吸附在Cu單晶表面的原子臺階處，再利用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用STM針尖將兩個苯活性基團結(jié)合到一起形成一種聯(lián)苯分子，完畢了一種完整的化學反應過程。在分子水平上構(gòu)造電子學器件一般情況下金屬和半導體材料具有正的電導，即流過材料的電流伴隨所施加的電壓的增大而增長。但在單分子尺度下，因為量子能級與量子隧穿的作用會出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象──負微分電導。中國科技大學的科學家仔細研究了基于C60分子的負微分電導現(xiàn)象。他們利用STM針尖將吸附在有機分子層表面的C60分子“撿起”，然后再把C60移到另一種C60分子上方。這時，在針尖與襯底上的C60分子之間加上電壓并檢測電流，他們?nèi)〉昧朔€(wěn)定的具有負微分電導效應的量子隧穿構(gòu)造。這項工作經(jīng)過對單分子操縱構(gòu)筑了一種人工分子器件構(gòu)造。此類分子器件一旦轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，將可廣泛的用于迅速開關(guān)、震蕩器和鎖頻電路等方面，這能夠極大地提升電子元件的集成度和速度。5.STM的優(yōu)缺陷優(yōu)點具有極高的辨別率得到的是實時的、真實的樣品表面的高辨別率圖象使用環(huán)境寬松應用領(lǐng)域是廣闊的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的缺陷掃描隧道顯微鏡在恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠精確探測，與此有關(guān)的辨別率較差。掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀察的效果就差于導體，對于絕緣體則根本無法直接觀察。假如在樣品表面覆蓋導電層，則因為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辨別率。掃描隧道顯微鏡的工作條件受限制，如運營時要防振動，鎢探針在潮濕的環(huán)境中易生銹。原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope,AFM）1.AFM的發(fā)明AFM是在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類顯微鏡，經(jīng)過探測極小探針與樣品表面之間的相互作用力的大小而取得表面信息。1986，IBM，葛·賓尼發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope)——新一代表面觀察儀器。2.AFM的原理原子力顯微鏡利用微懸臂感受和放大懸臂上探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達成檢測的目的，具有原子級的辨別率。因為原子力顯微鏡既能夠觀察導體，也能夠觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡的基本原理是：將一種對單薄力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸，因為針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極單薄的排斥力，經(jīng)過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂相應于掃描各點的位置變化，從而能夠取得樣品表面的形貌信息。3.AFM的工作模式接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)3.AFM的工作模式針尖一直與樣品接觸并簡樸地在表面上移動，針尖與樣品間的相互作用力是相互接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小一般為10－8—10－11N。vanderWaalsforcecurve接觸式優(yōu)點：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高辨別圖像。缺陷：可能使樣品產(chǎn)生相當大的變形，對柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴重影響AFM成像質(zhì)量。3.AFM的工作模式非接觸式針尖與樣品間相互作用力是范德華吸引力。在針尖上加—小的振蕩信號，針尖和樣品間距是經(jīng)過保持振幅恒定來控制的。優(yōu)點：對樣品無損傷

缺陷：辨別率要比接觸式的低。圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。4.AFM的工作模式輕敲式vanderWaalsforcecurve

介于接觸模式和非接觸模式之間:其特點是掃描過程中微懸臂也是振蕩的并具有比非接觸模式更大的振幅(5-100nm)，針尖在振蕩時間斷地與樣品接觸。

特點：辨別率幾乎同接觸模式一樣好；接觸非常短暫，所以剪切力引起的對樣品的破壞幾乎完全消失。4.AFM的工作模式樣片表面凝結(jié)的水滴對不同測試模式的干擾