扫描隧道显微镜和原子力显微镜 STM与AFM课件.ppt

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1、扫描隧道显微镜ScanningTunnelingMicroscope(STM)Introduction在科学发展史上直观地观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。1982年IBM公司苏黎士研究实验室的GerdBining与HeinrichRohrer博士研制出一种新型显微镜--扫描隧道显微镜，终于使这一愿望成为现实。诺贝尔奖：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖原理经典电子理论：金属体内存在大量“自由”电子，从经典物理学来说，这些

2、“自由”电子在金属体内能量分布如图所示。在绝对零度时，所有自由电子的能量都小于费米能级EF,随着温度的升高，一部分电了的能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的数量随着温度的升高而增加，另一方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一个能量比费米能级EF高的位垒φ，在金属内“自由”电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能从金属内部逸出到外部。原理量子力学：认为金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波φ1向金属边界传播，在遇到表面位垒时，部分反射为φR，部分透过为φT。这样，即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种效应称

3、为隧道效应。TheoryI:QuantumBarrierPotentialbarrierElectron(massm,energyE)hasfiniteprobabilityof‘tunneling’throughSchroedinger’sequationofmotionAppliedvoltagebias,VTunnelingelectrongainsenergyeVNumberofelectronsthatcantunneldependsonoccupationoneachsideTheoryII:TunnelingCurrentmetal1met

4、al2insulatorz隧道扫描显微镜的基本原理是基于量子的隧道效应。将原子线度的极细针尖和被研究物质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绝缘层流向另一个电极。电流I、针尖与样品之间的距离S、平均功函数Φ、针尖和样品之间的偏置电压Vb：原理隧道电流强度与针尖与样品表面之的距离非常敏感，如果距离减小0.1nm，电流将增加一个数量级。Si(7X7)表面单胞二聚体-吸附原子-堆积错位模型计算机模拟结果特点扫描隧道显微镜是继透射电镜和场离子显微镜之后具有原子级分辨率的新一代显微镜。

5、与已有的其它各种显微镜相比，它具有如下特性：（一）STM具有空前的空间分辨率，其横向与纵向分辨率已分别达到0.1nm和0.01nm,完全可分辨单个原子。（原子的典型尺寸为0.2～0.3纳米）特点（二）STM得到的是实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构观察，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的观察；（三）STM可得到表面单原子层的局域结构图象，这对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附物质的位置及形貌极其有效。（四）STM在真空、大气、溶液等环境中都能保持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品表面的观测。这为

6、生物样品的研究提供了新途径。特点（五）STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术。而且样品需求量很小（毫微克），这为观测珍稀提供了便利。（六）在超高真空条件下，STM不仅可获得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱（STS）研究表面的电子结构。这对表面物理研究很有用途。ModesofOperationConstant-CurrentModeConstant-HeightModeTipheightis~constant:anx-yscanrevealsatopographic‘image’ofthesurface.betterverticalresol

7、utionslowerscanning–mayyieldoveralldriftinx-yscancanbeusedforsurfacesthataren’tatomicallyflatTipheightiskeptconstantandtunnelingcurrentismonitored.veryfastscans,reducesimagedistortionlowerverticalresolutionallowsstudyofdynamicprocesses工作原理示意图工作模式在STM中把针尖装在压电陶瓷构成的三维扫描架上，通过改变加在陶瓷上的

8、电压来控制针尖位置，在针尖和样品之间加上偏压V以产生隧道电流，再把隧道电流送回电