掃描遂道及原子力

掃描遂道及原子力第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月透射電子顯微鏡（TEM，1931，Ruska）場(chǎng)離子顯微鏡（FIM，1951，Muller）掃描隧道顯微鏡（STM，1981，Binnig&Rohrer）

1986年，Ruska，BinnigandRohrer分享諾貝爾物理獎(jiǎng)目前達(dá)到原子分辨的三種儀器：第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高分辨顯微儀器主要特點(diǎn)儀器分辨率工作環(huán)境工作溫度對(duì)樣品破壞程度檢測(cè)深度SEM橫向：1nm縱向：低高真空/低真空室溫/低溫/高溫小1μmTEM橫向：0.1nm縱向：無(wú)高真空室溫/低溫/高溫中<100nmFIM橫向：0.2nm縱向：無(wú)超高真空30~80K大1個(gè)原子層STM橫向：0.1nm縱向：0.01nm真空/大氣/溶液室溫/低溫/高溫?zé)o1~2原子層第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三章掃描探針顯微分析掃描探針顯微分析概述掃描隧道顯微分析原子力顯微分析掃描探針顯微分析的應(yīng)用第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、掃描探針顯微鏡定義

掃描探針顯微鏡(Scanningprobemicroscopy,SPM)是用微探針在樣品表面描，通過(guò)針尖與樣品表面原子的物理化學(xué)作用以探測(cè)樣品的顯微鏡。

SPM完全失去了傳統(tǒng)顯微鏡的概念，其圖像分辨率主要取決于探針尖端的曲率半徑（通常在納米范圍）。

§3-1、掃描探針顯微分析概述第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、掃描探針顯微鏡發(fā)展

1981年，掃描隧道顯微鏡，第一種掃描探針顯微鏡第一次實(shí)時(shí)觀察單個(gè)原子；1986年，原子力顯微鏡，彌補(bǔ)了STM只能觀察導(dǎo)電材料的不足；1987，磁力顯微鏡、摩擦力顯微鏡1988，靜電力顯微鏡1989，掃描電化學(xué)顯微鏡1991，掃描此振力顯微鏡1984~1992，掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、掃描探針顯微鏡分類

STM掃描隧道顯微鏡SFM掃描力顯微鏡(AFM、EFM、MFM、CFM、LFM)NSOM掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡PSTM光子掃描隧道顯微鏡SCM電容掃描顯微鏡BEEM彈道電子發(fā)射顯微鏡SThM掃描熱顯微鏡SVM掃描電壓顯微鏡第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

四、掃描探針顯微分析的特點(diǎn)

原子級(jí)高分辨率（橫向0.1nm縱向0.01nm）可實(shí)時(shí)得到在實(shí)空間中表面的三維圖像，用于材料表面結(jié)構(gòu)研究可觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)→如表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附等可在真空、大氣、液體、高溫、低溫等不同環(huán)境下工作，無(wú)特別制樣技術(shù)，適合生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品的表面評(píng)價(jià)配合掃描隧道譜，可得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息可對(duì)單個(gè)原子和分子進(jìn)行操縱（STM）→對(duì)表面進(jìn)行納米級(jí)微加工體積小、成本低

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掃描探針顯微分析的特點(diǎn)局限性：

只能觀測(cè)表面，不能探測(cè)深層信息；

探針質(zhì)量隨機(jī)性大，測(cè)試結(jié)果在很大程度上依賴于操作者；探針掃描范圍?。▇μm）難以對(duì)觀察點(diǎn)精確定位。第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、概述

掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope，STM)，是以量子力學(xué)的隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)，利用一個(gè)極細(xì)的尖針在樣品表面掃描以獲得樣品表面形貌的顯微方法。當(dāng)針尖和樣品表面靠得很近（<1nm），針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時(shí)若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓（2mV~2V），電子便會(huì)穿過(guò)針尖和樣品之間的勢(shì)壘而形成隧道電流，電流強(qiáng)度和針尖與樣品間的距離有函數(shù)關(guān)系。通過(guò)控制針尖與樣品表面間距或隧道電流的恒定，并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可將表面形貌和表面電子態(tài)等有關(guān)表面信息記錄下來(lái)?！?-2、掃描隧道顯微分析第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.自由電子模型經(jīng)典自由電子論→將金屬中的傳導(dǎo)電子看作自由電子經(jīng)典氣體，服從麥克斯韋-波爾茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律；近代自由電子論→將金屬中的傳導(dǎo)電子看作自由電子費(fèi)米氣體，服從費(fèi)米-狄喇克統(tǒng)計(jì)規(guī)律。二、STM原理第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月T=0K（基態(tài)）T>0K10102kT-費(fèi)米能級(jí)K-波爾茲曼常數(shù)T-絕對(duì)溫度第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.隧道效應(yīng)在金屬的邊界上，存在比εf

高的位壘Φ，在金屬中的自由電子只有εf>Φ的電子才能從金屬內(nèi)逸出。另一方面，量子力學(xué)還認(rèn)為自由電子還具有波動(dòng)性，電子波向金屬表面?zhèn)鞑ビ龅奖砻嫖粔睛禃r(shí)，部分反射，部分透射，這樣在一定溫度下，部分電子穿透金屬表面位壘，形成表面電子云，即產(chǎn)生隧道效應(yīng)。Φ第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

3.隧道電流

當(dāng)兩種金屬靠得很近時(shí)（<1nm），兩種金屬的電子云將互相滲透。當(dāng)加上適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，即使未真正接觸，也會(huì)有電流產(chǎn)生。該現(xiàn)象為隧道效應(yīng)，該電流為隧道電流。在低溫低壓下，隧道電流I可近似表達(dá)為：

IT∝exp（-2kd）式中，IT-隧道電流，d-樣品與針尖的距離，k-常數(shù)在典型條件下，k=10nm-1，可得每當(dāng)d減小0.1nm，IT將增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明隧道電流I對(duì)樣品表面的微觀起伏特別敏感。第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?d有0.1nm的變化；?I將有數(shù)量級(jí)的變化隧道電流的變化曲線

d第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.STM工作原理

第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)掃描過(guò)程中針尖與樣品間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的不同，可將STM的工作原理分為：恒電流模式恒高度模式

三、STM工作方式第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

此時(shí)針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，直接反映了樣品表面態(tài)密度的分布，而樣品的表面態(tài)密度與樣品的高低起伏程度有關(guān)。恒電流模式是目前STM常用的工作模式，適合于觀察表面起伏較大的樣品。1.恒電流模式控制樣品與針尖間的距離不變，則當(dāng)針尖在樣品表面掃描時(shí)，由于樣品表面高低起伏，勢(shì)必引起隧道電流變化。此時(shí)通過(guò)電子反饋系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)針尖隨樣品的高度變化而做升降運(yùn)動(dòng)，以確保針尖與樣品間距離保持不變。第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.恒高度模式

控制針尖在樣品表面某一水平面上掃描，針尖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖。則隨著樣品表面的高低起伏，隧道電流不斷變化。通過(guò)記錄隧道電流的變化，可得到樣品表面的形貌圖。第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.STM結(jié)構(gòu)一般由STM探測(cè)單元、電子控制單元和計(jì)算機(jī)控制單元三部分組成。①STM探測(cè)單元由STM探頭、減震裝置、前置放大器組成。

STM探頭由探針、樣品臺(tái)、三維掃描控制器、粗調(diào)裝置組成。探針：鎢、鉑銥合金兩種制備：電化學(xué)腐蝕

四、STM系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方法第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月②電子線路探測(cè)單元反饋、驅(qū)動(dòng)電路組成。③計(jì)算機(jī)控制單元儀器控制、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和圖像顯示與處理。

第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

２.STM制樣表面光潔度和清潔度要求極高。①金屬樣品精密機(jī)加工→金相砂紙打磨→拋光（機(jī)械／電解）→離子轟擊→高溫退火。②半導(dǎo)體過(guò)程同上，特別注意防止氧化和污染。③陶瓷等不導(dǎo)電樣品將樣品制成薄膜，均勻覆蓋在導(dǎo)電性良好的襯底上。

第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月１．金屬表面研究２．材料組織與相結(jié)構(gòu)、相變及擴(kuò)散研究３．半導(dǎo)體材料表面結(jié)構(gòu)研究

五、STM應(yīng)用第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬鎳表面用35個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中科院化學(xué)所科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖第27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光柵三維STM圖象第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一、原理

原子力顯微鏡(AtomicForcemicroscope，AFM)，是使用一端固定，另一端裝有針尖的彈性微懸臂來(lái)檢測(cè)樣品表面形貌和其它表面性質(zhì)的方法。當(dāng)針尖或樣品掃描時(shí)，同距離有關(guān)的針尖與樣品間的相互作用力就會(huì)引起微懸臂發(fā)生變形，用一束激光照射到微懸臂的背面，微懸臂將激光束反射到一個(gè)光電檢測(cè)器。檢測(cè)器不同相限接收到激光的強(qiáng)度差值同微懸臂的變形量會(huì)形成一定的比例關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)電壓對(duì)樣品掃描位置的變化，就可以得到樣品表面的形貌?！?-３、原子力顯微分析第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微懸臂彈力的大?。?/p>

F=k·ΔZK-彈性系數(shù)

ΔZ-位移由于F很小，k和ΔZ都必須很小。需要制作k和M都很小的微懸臂第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

二、AFM結(jié)構(gòu)1.力檢測(cè)部分2.位置檢測(cè)部分3.反饋系統(tǒng)第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩種類型的探針：氮硅化合物（左）和晶體硅（右）1.力檢測(cè)部分——探針第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

加寬效應(yīng)：第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

三、AFM工作方式1.接觸模式（contactAFMcontactAFM）針尖與樣品間作用力原子間的斥力10-8～10-11Ｎ2.非接觸式(non--contactMode)

針尖與樣品間作用力是很弱的長(zhǎng)程力—范德華吸引力，

10-12Ｎ3.輕敲模式(TappingMode)第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

探針與樣品表面緊密接觸并在表面上滑動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快，分辨率高，可得到原子級(jí)分辨率圖像，適用于表面垂直變化大的樣品缺點(diǎn)：針尖易受損，樣品易變形，圖像扭曲

1.接觸模式第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月探針針尖始終不與樣品表面接觸優(yōu)點(diǎn)：對(duì)樣品完全沒(méi)有損傷，靈敏度高缺點(diǎn)：分辨率低，不適用于在液體中成像，掃描速度慢2.非接觸模式第41頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月類似于非接觸模式,但微懸臂以共振頻率振蕩的振幅較大,約100nm,針尖在振蕩的底部均與樣品輕輕接觸