掃描探針顯微鏡實驗報告

實驗報告課程名稱電鏡技術(shù)成績姓名學(xué)號實驗日期2013.4.24實驗名稱掃描探針顯微鏡指導(dǎo)教師實驗?zāi)康呐c任務(wù)了解掃描電鏡的發(fā)展歷程及分類學(xué)習(xí)并了解掃描探針顯微鏡的結(jié)構(gòu)及原理掌握掃描探針顯微鏡的操作步驟4.了解掃描探針顯微鏡的應(yīng)用實驗基本原理掃描探針顯微鏡的發(fā)明背景1982年，國際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實驗室的葛·賓尼博士和?！ち_雷爾博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope,以下簡稱STM）。在STM出現(xiàn)以后，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)，包括原子力顯微鏡（AtomicForceMicroscope,以下簡稱AFM）、橫向力顯微鏡（LateralForceMicroscope,以下簡稱LFM）等，這類基于探針對被測樣品進(jìn)行掃描成象的顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscope,以下簡稱SPM）。2.STM概述（1）STM出現(xiàn)的意義STM的出現(xiàn)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)的物理、化學(xué)性質(zhì)。STM不僅具有很高的空間分辨率（橫向可達(dá)0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm），能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)；而且還能對原子和分子進(jìn)行操縱，從而將人類的主觀意愿施加于自然。可以說STM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結(jié)晶。（2）STM的優(yōu)點具有原子級高分辨率；可實時地得到在真實空間中表面的三維圖象；可觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)；可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測過程對樣品無損傷；配合掃描隧道譜STS(ScanningTunnelingSpectroscopy)可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息；利用針尖可以搬遷和操縱單個原子。（3）STM的局限性在STM的恒流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性。（4）STM的基本原理將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，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。隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。（5）STM的基本結(jié)構(gòu)STM儀器由具有減振系統(tǒng)的STM頭部(含探針和樣品臺)、電子學(xué)控制系統(tǒng)和計算機(jī)組成。（6）STM的應(yīng)用掃描圖像；操縱單一分子或原子；.I-V曲線測定、信息存儲。3.AFM概述（1）AFM原理及結(jié)構(gòu)AFM的裝置和STM一樣，AFM也有：振動隔絕系統(tǒng)；機(jī)械系統(tǒng)；針尖系統(tǒng)；電子系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)幾個大的部分組成。（2）AFM的應(yīng)用納米材料的形貌測定；納米尺度的物性測量；生物材料的研究；納米結(jié)構(gòu)加工。4.SPM概述（1）SPM的原理利用壓電材料，將電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰疲刂铺结樤诩{米級的距離上對被測樣品的表面進(jìn)行掃描，同時記錄掃描過程中探針和樣品的相互作用，從而得到樣品的表面信息。（2）掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術(shù)的各項性能指標(biāo)比較實驗方法與步驟打開氣瓶給防震氣墊充氣，打開穩(wěn)壓電源，打開主機(jī)和計算機(jī)電源打開操作程序，選擇相應(yīng)的測量模式安裝探針支架和樣品打開四象限檢測器，天界激光位置和強(qiáng)度至最佳，激光全部打到微懸臂上QCurve測量下針選擇掃描的相應(yīng)圖像模式觀察掃描的非線性開始掃描退針，取支架及樣品對圖像進(jìn)行保存，對圖像的粒徑、表面情況選擇相應(yīng)軟件進(jìn)行分析12.退出操作系統(tǒng)，關(guān)閉主機(jī)，計算機(jī)，穩(wěn)壓電源，氣瓶實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理此圖掃描事業(yè)面積為2μm×2μm,圖中棕黃色的部分代表為平整的硅板面，金黃色的點狀部分代表堆積的鍺粒子，點越亮代表鍺粒子堆積的高度越高，反之則越低。此圖所示為立體三維圖如此圖所示，樣品中該鍺粒子上下兩邊的高度分別為：Z1=10.37531nm，Z2=17.32571nm，高度差△Z=6.950402nm，兩點間距離為32.39466nm，兩點間角度差為12.10945°；左右兩邊的高度分別為Z1=10.00725nm，Z2=10.25314nm，高度差△Z=0.245891nm，兩點間距離為65.05928nm，兩點間角度差為0.216548°。所以，該鍺粒子的直徑約為65.05928nm，高度約為32.39466nm。RaRa斷面中心線平均光潔度6.036E+01nmP-V最大高低差0.000E+00nmL測定長度8.238E+02nmλccutoff值4.570E+01nm△a平均傾斜角1.072E+01°HistogramZ值范圍的頻率分布1.18BearingRatioZ值的最大值到Z值分布的累積頻率分布19.68Ra平面光潔度2.395E+00nm