《掃描隧道顯微鏡》課件

《掃描隧道顯微鏡》ppt課件12021/10/10星期日引言STM的工作原理STM的實(shí)驗(yàn)技術(shù)STM的發(fā)展與未來STM的挑戰(zhàn)與限制結(jié)論目錄CONTENT22021/10/10星期日引言0132021/10/10星期日1981年，IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的賓寧（GerdBinnig）和羅雷爾（HeinrichRohrer）發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），這一發(fā)明被授予了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM技術(shù)的出現(xiàn)，使得科學(xué)家們能夠直接觀察到物質(zhì)表面原子排列的形貌，開啟了納米科技的新篇章。STM的發(fā)明與歷史42021/10/10星期日STM基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)，當(dāng)原子尺度的針尖在樣品表面上方幾納米的高度掃描時(shí)，針尖與樣品之間產(chǎn)生隧道效應(yīng)，從而得到樣品表面的形貌信息。STM通過測(cè)量針尖與樣品間的電流大小，可以精確地確定樣品表面的原子排列，其分辨率可以達(dá)到原子級(jí)別。STM的基本原理52021/10/10星期日STM的應(yīng)用領(lǐng)域STM在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，可以用于研究表面結(jié)構(gòu)、表面反應(yīng)、生物分子結(jié)構(gòu)等。STM技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于納米制造、納米電子學(xué)、納米光子學(xué)等領(lǐng)域，為現(xiàn)代科技的發(fā)展提供了重要的支持。62021/10/10星期日STM的工作原理0272021/10/10星期日隧道電流當(dāng)一個(gè)帶電粒子接近到另一個(gè)導(dǎo)體的表面一定距離時(shí)，由于隧道效應(yīng)，帶電粒子可以穿過勢(shì)壘，與導(dǎo)體中的電子相互作用，形成隧道電流。隧道效應(yīng)定義當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電物體非?？拷鼤r(shí)，一個(gè)帶電粒子的電場(chǎng)會(huì)使得另一個(gè)導(dǎo)體的電子發(fā)生隧道效應(yīng)，從而產(chǎn)生電流。隧道電流特點(diǎn)隧道電流的大小與帶電粒子的能量、勢(shì)壘寬度以及兩個(gè)導(dǎo)體的電位差有關(guān)。隧道效應(yīng)82021/10/10星期日用于產(chǎn)生隧道電流，通常由超導(dǎo)材料制成。針尖控制針尖在樣品表面進(jìn)行掃描。掃描裝置檢測(cè)隧道電流的大小，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)控制掃描裝置和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，處理和顯示掃描得到的圖像數(shù)據(jù)?？刂婆c數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)掃描隧道顯微鏡的構(gòu)造92021/10/10星期日針尖在樣品表面掃描在掃描過程中，針尖與樣品之間的距離保持恒定，通過控制掃描裝置使針尖在樣品表面進(jìn)行線性或非線性掃描。隧道電流的變化針尖在掃描過程中與樣品表面的電子相互作用，隧道電流的大小會(huì)發(fā)生變化。這些變化被信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)并記錄下來。圖像的形成通過將隧道電流的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理，最終形成STM的掃描圖像。圖像的分辨率和清晰度取決于針尖和樣品的性質(zhì)以及掃描參數(shù)的選擇。圖像的形成102021/10/10星期日STM的實(shí)驗(yàn)技術(shù)03112021/10/10星期日選擇具有研究意義的材料作為樣品，如金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等。樣品選擇表面清潔表面附著對(duì)樣品進(jìn)行表面清潔，去除表面的雜質(zhì)和污染物，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。將樣品附著在掃描隧道顯微鏡的樣品臺(tái)上，確保樣品穩(wěn)定且易于操作。030201樣品制備122021/10/10星期日對(duì)掃描隧道顯微鏡進(jìn)行校準(zhǔn)，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。儀器校準(zhǔn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)置掃描隧道顯微鏡的參數(shù)，如掃描范圍、掃描速度、隧道電流等。參數(shù)設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，采集掃描隧道顯微鏡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表面形貌、電流信號(hào)等。數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)操作132021/10/10星期日數(shù)據(jù)處理對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如濾波、去噪、圖像增強(qiáng)等。結(jié)果分析對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，提取有意義的信息，如表面形貌特征、電子結(jié)構(gòu)等。結(jié)論總結(jié)根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，為后續(xù)研究提供依據(jù)。數(shù)據(jù)處理與分析142021/10/10星期日STM的發(fā)展與未來04152021/10/10星期日更高的分辨率通過改進(jìn)探測(cè)器設(shè)計(jì)和信號(hào)處理技術(shù)，提高STM的分辨率，實(shí)現(xiàn)更精確的表面結(jié)構(gòu)測(cè)量。溫度和壓力控制增加溫度和壓力控制裝置，研究不同溫度和壓力條件下表面結(jié)構(gòu)的變化。多模式操作開發(fā)多模式操作功能，實(shí)現(xiàn)STM在多種模式下的切換，以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求。STM的改進(jìn)與優(yōu)化162021/10/10星期日通過同時(shí)獲取STM和AFM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)表面形貌和力的同時(shí)測(cè)量，提供更全面的表面信息。STM與原子力顯微鏡（AFM）結(jié)合將STM與UPS相結(jié)合，研究表面電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)態(tài)，提供更深入的表面信息。STM與光電子能譜（UPS）結(jié)合STM與其他顯微技術(shù)的結(jié)合172021/10/10星期日利用STM研究新型材料表面結(jié)構(gòu)，探索其物理和化學(xué)性質(zhì)，為新材料的開發(fā)和應(yīng)用提供支持。將STM應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，研究生物分子結(jié)構(gòu)和相互作用，為疾病診斷和治療提供新思路。STM在未來的應(yīng)用前景生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用新材料研究182021/10/10星期日STM的挑戰(zhàn)與限制05192021/10/10星期日03表面態(tài)對(duì)分辨率的影響表面態(tài)的電子結(jié)構(gòu)還可能影響STM的分辨率，使得成像效果不夠清晰。01表面態(tài)的復(fù)雜性不同材料表面的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致STM在測(cè)量時(shí)可能受到表面態(tài)的干擾，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。02表面態(tài)對(duì)隧道電流的影響表面態(tài)的電子結(jié)構(gòu)會(huì)影響隧道電流的大小和分布，從而影響STM的成像質(zhì)量。表面態(tài)的影響202021/10/10星期日探針針尖的穩(wěn)定性01探針針尖的穩(wěn)定性是影響STM成像質(zhì)量的重要因素之一。針尖的微小振動(dòng)或偏移都可能導(dǎo)致成像失真或誤差。探針針尖的污染02在長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，探針針尖可能受到污染，如吸附雜質(zhì)、氧化等，這會(huì)影響其與樣品之間的相互作用，進(jìn)而影響STM的成像質(zhì)量。探針針尖的磨損03在測(cè)量過程中，探針針尖可能會(huì)與樣品表面發(fā)生摩擦，導(dǎo)致針尖磨損，從而影響其與樣品之間的相互作用和STM的成像質(zhì)量。探針的穩(wěn)定性問題212021/10/10星期日溫度的影響濕度過高可能導(dǎo)致探針針尖受潮，影響其與樣品之間的相互作用，進(jìn)而影響STM的成像質(zhì)量。濕度的影響電磁噪聲的影響周圍的電磁噪聲可能干擾STM的測(cè)量結(jié)果，如電源波動(dòng)、周圍電子設(shè)備的電磁輻射等。溫度的變化可能影響STM的測(cè)量結(jié)果。溫度升高可能導(dǎo)致樣品表面的熱漲落增大，影響STM的成像效果。環(huán)境因素對(duì)STM的影響222021/10/10星期日結(jié)論06232021/10/10星期日STM技術(shù)對(duì)表面科學(xué)和納米科技的發(fā)展具有重要影響，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。STM技術(shù)能夠提供原子級(jí)分辨率的表面結(jié)構(gòu)信息，為材料科學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域的研究提供了有力支持。STM技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不僅局限于表面科學(xué)和納米科技領(lǐng)域，還涉及到生物醫(yī)學(xué)、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。STM的重要性和影響242021/10/10星期日123進(jìn)一步提高STM的分辨率和靈敏度，探索更廣泛的表面結(jié)構(gòu)和物性測(cè)量。結(jié)合其