掃描隧道顯微鏡詳解演示文稿

掃描隧道顯微鏡詳解演示文稿當(dāng)前第1頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)優(yōu)選掃描隧道顯微鏡當(dāng)前第2頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)一、簡介1．從光學(xué)顯微鏡→電子顯微鏡→場離子顯微鏡→STM分辨200nm幾個(gè)nm?2．原理3．獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：Δ觀察表面形貌達(dá)原子分辨Δ無需任何透鏡，不存在象差

Δ可在各種條件下測(cè)量：真空、大氣、水、油及液氮中

Δ廣泛的應(yīng)用：形貌、表面電位、電子態(tài)分布原子力顯微鏡及原子探針顯微鏡納米技術(shù)、表面微細(xì)加工、搬動(dòng)原子

1986年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)(G.BinnigandH.Rohrer)當(dāng)前第3頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)二、基本原理1．隧道電流隧道結(jié)電流密度（對(duì)兩平行金屬）

s：有效隧道距離VT：所加電壓ko：ko=

φ：有效勢(shì)壘高度

φ＝1/2(φ1+φ2)eV對(duì)于真空是幾個(gè)電子伏對(duì)氧化物小于1電子伏

當(dāng)前第4頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)I-s有指數(shù)關(guān)系：I∝exp[-2kos]隧道電流在10－9－10－6A量級(jí)當(dāng)s增加Δs時(shí)：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]設(shè)Δs=1?，ko≈1?－1(φ～5eV)則exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：當(dāng)s增加1?時(shí)，I將減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)前第5頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)2．工作模式△恒高模式用隧道電流的大小來調(diào)制顯象管的亮度△恒電流模式用電子學(xué)反饋的方法控制針尖與樣品間距離不變(保持隧道電流不變)，用反饋調(diào)制電壓控制顯象管亮度或畫出表面形貌三維圖象。當(dāng)前第6頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常數(shù)兩邊微分ΔI/I=-2koΔs若保持隧道電流I不變?chǔ)/I在±2％之內(nèi)（電路控制可達(dá)精度）設(shè)ko≈1?

－1，則Δs≈0.01?表明：針尖至表面距離的控制精度可達(dá)0.01?當(dāng)前第7頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)三、掃描隧道顯微鏡的結(jié)構(gòu)

1.技術(shù)關(guān)鍵

△微小距離的移動(dòng)及控制－壓電陶瓷位移靈敏度在5?/V量級(jí)STM針尖半徑R3-10?針尖與表面距離2-5?△防震當(dāng)前第8頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)2.結(jié)構(gòu)三維控制的壓電陶瓷：Px和Py上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿表面作光柵掃描。利用隧道結(jié)電流I反饋，控制加于Pz上的電壓來控制s，以保持I不變。如s↗→I↘→Pz上的電壓↗→Pz伸長→s↘。VPz(VPx,VPy)曲線為樣品表面三維輪廓線。當(dāng)前第9頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)△XYZ位移器（樣品位置細(xì)調(diào)〕微小距離移動(dòng)的精確控制△樣品粗調(diào)使針尖與表面的距離，從光學(xué)可覺察的距離(10-100μm)調(diào)整到100?量級(jí)－Louse結(jié)構(gòu)－精細(xì)螺旋機(jī)構(gòu)△防震系統(tǒng)分析－使由振動(dòng)引起的隧道距離變化0.001nm(振動(dòng)：針對(duì)重復(fù)性、連續(xù)的，通常頻率在1－100Hz)當(dāng)前第10頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)四、掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用1．表面形貌測(cè)量及其分辨率假設(shè)樣品表面存在陡變臺(tái)階，由于針尖半徑R有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過渡區(qū)δ。δ與R、s和ko有如下近似關(guān)系：

R：針尖半徑S：針尖至表面距離

若R=3?,s=2?,ko=1?

-1則δ≈1.6?(分辨率)只有在表面各處逸出功相同時(shí)，針尖在z方向的位移才表示樣品外形的起伏。Ko=φ=(1/2)(φ1+φ2)當(dāng)前第11頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)2．逸出功的測(cè)量由I∝exp[-2kos]ΔI/I=-2koΔsΔI/Δs=2Iko若I保持不變則：dI/ds∝ko∝φ1/2

工作方式：掃描中保持I不變，使s有一交流調(diào)制，dI/ds隨x,y變化。dI/ds(x,y)平方后即為逸出功象。3．掃描隧道譜(STS)在表面的某個(gè)位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針尖在X、Y平面掃描，測(cè)dI/dV隨x,y的變化，得掃描隧道譜象。表面的電子性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)在I-V和dI/dV－V曲線中。當(dāng)前第12頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)應(yīng)用舉例：Si(111)面的7×7結(jié)構(gòu)STM△水平分辨率:0.1nm縱向分辨率:0.001nm△信息中包含有形貌特性、逸出功及電子態(tài)分布采用特殊的工作模式,可把后兩者信息提取出來?！鲗?duì)于非導(dǎo)體或針尖有沾污的情況，不能進(jìn)行正確的測(cè)量當(dāng)前第13頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)五、原子力顯微鏡(AFM)

AtomicForceMicroscope

1．特點(diǎn)：△能測(cè)量絕緣體的表面形貌(STM不能)△測(cè)量表面原子間的力測(cè)量彈性、塑性、硬度等當(dāng)前第14頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)2．AFM的結(jié)構(gòu)及工作原理

微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。針尖與表面輕輕接觸(斥力:10－8－10－6N)。樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定(樣品與針尖間距離不變)。測(cè)得微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而獲得樣品形貌信息。利用了原子間的力

關(guān)鍵技術(shù)：微懸臂及其位移檢測(cè)當(dāng)前第15頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)3.結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)（振動(dòng)隔離及樣品移動(dòng)等與STM相同）

（1）AFM微懸臂位移的檢測(cè)方法要求：有納米量級(jí)的檢測(cè)靈敏度測(cè)量對(duì)懸臂產(chǎn)生的作用力小到可忽略方法：

隧道電流法（用STM）光學(xué)檢測(cè)法:干涉法光束反射法電容檢測(cè)法當(dāng)前第16頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)隧道電流法（用STM）當(dāng)前第17頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)光束反射法當(dāng)前第18頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)(2)力傳感器(微懸臂和針尖)△低的力彈性常數(shù)△高的力學(xué)共振頻率△高的橫向剛性△短的懸臂長度△帶有鏡子或電極△盡可能尖的尖端當(dāng)前第22頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)利用彈性元件形變F=kΔz(虎克定理)F很小，k和Δz也必須小。但k小不符合剛性原則，因此在降低k的同時(shí)，也要減小M。

例:微杠桿由25μm金箔作成，重量10－10kgfd=2kHzk=2×10-2N/m因STM測(cè)的Δz可小至10－3－10－5nm則有：F=kΔz=2×(10－14－10－16)N當(dāng)前第23頁\共有29頁\編于星期四\0點(diǎn)當(dāng)前第24頁\共有29頁\編于星期四\0