掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡STM的優(yōu)勢與局限性4STM的工作方式3STM的工作原理2STM的介紹1ContentsSTM的應(yīng)用5一、掃描隧道顯微鏡的發(fā)明

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼和海·羅雷爾研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicroscope，簡稱STM）．STM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)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一．為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金．世界上第一臺掃描隧道顯微鏡Z二、STM的工作原理掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個粒子的動能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(xué)的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。二、STM的工作原理隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會顯著。經(jīng)計算，透射系數(shù)T為：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。隨著勢壘厚(寬)度a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。二、STM的工作原理掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(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，即電子隧穿。二、STM的工作原理掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近，所以它們之間的電子云互相重疊。當(dāng)在它們之間施加一偏置電壓Vb(2mV-2V)時，電子就可以因量子隧道效應(yīng)由針尖(或樣品)轉(zhuǎn)移到樣品(或針尖)，在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。二、STM的工作原理隧道電流i可以表示為：

it∝exp[(-4Sπ/h)(2mΦ)1/2]式中：s為通道寬度（針尖與樣品表面之間的最短距離），一般為0.3-1.0nm；h為普朗克常數(shù)，在真空條件下約等于1；Φ為能壘高度（針尖與樣品的平均功函數(shù)）；m為電子質(zhì)量。由于隧通電流i與針尖和樣品表面之間的距離s成指數(shù)關(guān)系，所以，電流i對針尖和樣品表而之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流i將會增加10倍；反之，如果距離增加0.1nm，隧道電流I就會減少10倍。

二、STM的工作原理STM的基本原理圖，其主要構(gòu)成有：頂部直徑約為50—100nm的極細(xì)金屬針尖(通常是金屬鎢制的針尖)，用于三維掃描的三個相互垂直的壓電陶瓷，以及用于掃描和電流反饋的控制器(Controller)等。

放大器二、STM的工作原理常用的STM針尖安放在一個可進(jìn)行三維運動的壓電陶瓷支架上，如圖所示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運動。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流I，并以此反饋控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計算機(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。三、STM的工作方式恒電流模式恒高度模式

三、STM的工作方式恒電流模式三、STM的工作方式

恒電流模式是在STM圖像掃描時始終保持隧道電流恒定，它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現(xiàn)。當(dāng)壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時，從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息(該信息反映樣品表面的起伏)，就可以得到樣品表面的原子圖像。由于恒電流模式時，針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動．針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面。所以恒電流模式可以用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。恒電流模式是一種最常用的掃描模式。三、STM的工作方式恒高度模式在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。四、STM的優(yōu)勢1、具有極高的分辨率：水平橫向0.1nm，垂直方向0.001nm.2、得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖象3、使用環(huán)境寬松：STM具有很多優(yōu)越的性能，可在大氣、液體、真空狀態(tài)下工作。4、應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的：對樣品表面也沒有特殊要求，可以觀測單晶、多晶、非晶以及納米相樣品。STM還可以方便地與其他的表面分析和電子分析等儀器結(jié)合，使其應(yīng)用范圍更加廣闊，更加有效。

5、價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的四、STM的局限性1、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準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差.2、掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體，對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。3、掃描隧道顯微鏡的工作條件受限制，如運行時要防振動，探針材料在南方應(yīng)選鉑金，而不能用鎢絲，鎢探針易生銹。五、STM的應(yīng)用STM最重要的用途在于納米技術(shù)上在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。

STM直接觀察表面上的原子和分子結(jié)構(gòu)，使納米技術(shù)的研究深入地進(jìn)行.利用STM，物理學(xué)家和化學(xué)家可以研究原子之間的微小結(jié)合能，制造人造分子；生物學(xué)家可以研究生物細(xì)胞和染色體內(nèi)的單個蛋白質(zhì)和DNA分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子切割和組裝手術(shù)；材料學(xué)家可以分析材料的晶格和原子結(jié)構(gòu)．考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子學(xué)家則可以加工小至原子尺度的新型量子器件。五、STM的應(yīng)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，具體又可分為“牽引”、“滑動”、“推動”三種方式。通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。Fe原子在Cu基板上原子像氙原子在Ni板上，安排原子合成IBM字樣摘要：摘要：采用掃描隧道顯微鏡（STM）對射頻等離子法制備的聚丙烯腈（PAN）基預(yù)氧化纖維的表面超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，定性了預(yù)氧化纖維的三級結(jié)構(gòu)單元。結(jié)果顯示：在微米尺度下，預(yù)氧化纖維表面分布有粗細(xì)不一、沿軸向排列的帶狀微纖，微纖之間相互交叉；在納米尺度下，觀察到微纖由相互纏結(jié)、緊密排列的超微纖組成，隨著掃描范圍的逐漸縮小，進(jìn)一步看到超微纖由堆積起來的細(xì)小微晶組成；在原子級尺度上，微晶表面碳原子與高取向熱解石墨（HOPG）相比不很規(guī)則，但具有取向排列趨勢。關(guān)鍵詞：射頻等離子法；預(yù)氧化纖維；超微結(jié)構(gòu)；掃描隧道顯微鏡實驗將PAN原絲在富氧溶劑H2O2中浸泡0.5h—1.5h后，均勻填放在密閉介質(zhì)容器中，并置于平行板電容器內(nèi)加載射頻電壓，在50V/cm—500V/cm的射頻電場下極化處理10min—30min，使富氧溶劑中的氧隨極化運動滲入原絲內(nèi)部參與氧化反應(yīng)。預(yù)處理的原絲引入一特制的射頻等離子石英管，在氧等離子體介質(zhì)中進(jìn)行預(yù)氧化。等離子體裝置中分布有連續(xù)式三段相繼排布的溫區(qū)，在180—260攝氏度范圍內(nèi)控制溫度，使原絲在牽伸作用下經(jīng)過不同溫區(qū)，達(dá)到纖維內(nèi)外氧化充分，形成表里一致的均質(zhì)化效果。同時采用屏蔽手段防止等離子體對纖維表層的刻蝕。預(yù)氧化纖維的表面形貌觀察在AJ—I型掃描隧道顯微鏡（上海愛建納米科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)）上進(jìn)行。將纖維理成小束，拉直平鋪于一圓形小鐵片表面，兩端用導(dǎo)電銀膠固定，滴加酒精潤濕、分散，自然干燥。Pt/Ir針尖采用恒流模式，在室溫、大氣條件下觀察。結(jié)果與分析圖1微米尺度下PAN基預(yù)氧化纖維的表面結(jié)構(gòu)（a）SEM照片，（b）STM圖像圖3高取向熱解石墨的原子級STM圖像（4.87nm×4.87）圖4PAN基預(yù)氧化纖維表面的原子級STM圖像（a）4.99nm×4.99nm（b）2.12nm×2.12nm結(jié)論采用STM對射頻等離子法制備的PAN基預(yù)氧化纖維表面進(jìn)行了超微結(jié)構(gòu)研究，定性了預(yù)氧化纖維的主要結(jié)構(gòu)單元。認(rèn)為組成預(yù)氧化纖維的最大結(jié)構(gòu)單元是單根原纖；原纖由粗細(xì)不一、沿軸向交錯排列的帶狀微纖組成，微纖是組成預(yù)氧化纖維的