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文檔簡介
1、CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU1儀器分析讀書會Scanning Tunneling Microscope掃瞄穿隧顯微鏡 單子睿 11/12 CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU2Outline1. 引言2. 操作原理3. 儀器結(jié)構(gòu)
2、4. 操作方法5. 應(yīng)用實(shí)例CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU31.1 顯微鏡的歷史: 用以窺探微觀世界之工具-顯微鏡-古典光學(xué)原理, 利用可見光、電子束、X光、離子、質(zhì)子等聚焦成像。 1655年 Robert Hooke:複式光學(xué)顯微鏡 1870年 Ernst Abbe:繞射理論解像能力理論極限 1930年 Ernst Ruska:電子顯微鏡 電顯鏡突破光顯鏡之極限,開啟了原子世界大門。然而此種利用光學(xué)成像原理
3、獨(dú)佔(zhàn)顯微技術(shù)的局面,直到1982年 Gerd Binning 發(fā)明STM才改變。1. 引言CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU41.2 原理: STM + AFM (Atomic Force Microscope, 原子力顯微鏡) = 掃瞄探針顯微鏡掃瞄探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope)。 掃瞄探針顯微鏡利用觸感靈敏之微小探針,探測出材料表面之微觀形貌與結(jié)構(gòu)。利用探針與材料表面之間的交
4、互作用力場。此交互作用力場可分為短距離與長距離兩種: 1. 短距離:原子之間之穿隧電流、凡得瓦力 2. 長距離:靜電力、電容、磁力、摩擦力及化學(xué)官能基之極微的電子交互作用力1. 引言CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU51.3 掃瞄探針顯微鏡工作原理: 敏銳之探針與材料表面交互作用力-轉(zhuǎn)換成迴授電流或電壓-驅(qū)動可在三度空間掃瞄之壓電元件總合而成。 因?yàn)槭抢渺`敏探針的觸覺,故不需要真空裝置即可得相當(dāng)高解析度的顯微影
5、像。更可於液體中操作,用以觀測生物樣品及其他液相材料( 如DNA分子段扭曲的原子排列)。 1. 引言CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU6STMAFMTEM , XRD作用機(jī)制穿隧電流探針之偏移訊號繞射、聚焦成像對非導(dǎo)體適用與否不適用適用適用觀測部位材料表面薄膜性質(zhì)材料表面薄膜性質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1. 引言CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NC
6、KUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU72. 操作原理CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU8 為了能得出極高倍率的放大影像,無論是STM或AFM探針的移動必需精確控制到Angstrom級的準(zhǔn)度。這種準(zhǔn)度和微小的移動量是藉一壓電陶瓷體來完成。探針附在陶瓷體上,在X和Y軸的移動量由微調(diào)掃描控制器,微調(diào)掃描器分別在壓電陶瓷體的X軸和Y軸方向上施加電壓使壓電陶瓷
7、體產(chǎn)生極微小的變形量,形成X-Y軸的來回掃描。變形量和外加電壓成正比關(guān)係 完成一個微小區(qū)域的掃描後,將這塊掃描區(qū)的X-Y-Z訊號傳至螢?zāi)?,如此就形成一個放大的表面影像 雖然其操作原理相當(dāng)簡單,但對於穿隧電流的理論分析仍難以得到確定的定量描述。但是經(jīng)由嚴(yán)格的Bardeen Transfer Hamiltonian方法,一般認(rèn)為所得之表貌影像,應(yīng)為材料表面電子雲(yún)的分佈。2. 操作原理CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU
8、93. 儀器結(jié)構(gòu)壓電基板三軸壓電掃瞄組CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU103. 儀器結(jié)構(gòu)STM主要由幾個組件所構(gòu)成:1. 避震裝置: 維持0.001A之內(nèi)穩(wěn)定度-黏彈性高分子橡膠與金屬組合、渦電流阻尼(eddy-current damping)系統(tǒng)、地下室。2. 定位與掃瞄元件3. 探針: 觀察低倍率影像時採用的探頭較不尖銳,觀察高倍率影像時採用的探頭較尖銳 CAD/CAE Lab Dept. of Mater
9、ials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU11 探針使用之材料為鎢絲,其作法有兩種,第一種方法是使用機(jī)械拋光法,將細(xì)線夾在兩夾角極小的Wire cutter中逐漸磨尖。第二種方法使用鹼液如KOH或NaOH進(jìn)行電化學(xué)蝕刻拋光。4. 回饋電子回路5. 數(shù)據(jù)自動化讀取電腦系統(tǒng)3. 儀器結(jié)構(gòu)CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engi
10、neering, NCKU124. 操作方法STM的操作方法可分以下兩種:1. 等電流取像(CCI) : 2. 等高度取像(CHI) :CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU135. 應(yīng)用實(shí)例CD single pit表面的STM影像CAD/CAE Lab Dept. of Materials Science & Engineering NCKUCAD/CAE, Materials Science and Engineering, NCKU145. 應(yīng)用實(shí)例Si(100)面的單晶,表面濺鍍金薄層(約15 n
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