扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍.ppt

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1、扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，STM）原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,AFM）报告人：董卫民施淑颖1.STM的发明1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。ST

2、M的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一；由于这一杰出成就宾尼和罗雷尔获得了1986年诺贝尔物理奖。葛·宾尼海·罗雷尔世界上第一台扫扫描道显微镜2.STM的原理扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效应。2.STM的原理隧道效应是由于粒子的波动性

3、而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：由公式可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，几乎观察不到粒子隧穿势垒的现象。2.STM的原理隧穿电流STM是将原子限度的极细探针和样品的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧穿电流，其大小为：V是加在针尖和样品之间的偏置电压A为常数，在真空条件下约等于1Φ为物质表面的平均功函数S是针尖和样品之间距离I是隧道电流

4、隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离S有着指数的依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，当探针在样品表面扫描时根据隧穿电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。3.STM的工作模式恒流模式x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在

5、z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。3.STM的工作模式恒高模式在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。3.STM的仪器构造STM由具有减振系统的头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。压电陶瓷或晶体由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。3.STM的仪器构造所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多晶体，

6、如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。图中为三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，在电场的作用下三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动，从而控制针尖在样品表面进行高精度的扫描。4.STM的应用“看见”了以前所看不到的东西STM具有惊人的分辨本领，水平分

7、辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面的原子、分子状态清晰可见。4.STM的应用实现了单原子和单分子操纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键可以实现单分子操纵。1990年