扫描隧道显微镜(CSTM).ppt

扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(CSTM)1.概述n n 1982 1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Gerd BinnigBinnig博士和博士和Heinrich RohrerHeinrich Rohrer博士及其同事们，共博士及其同事们，共同研制成功了世界第一台新型表面分析仪器同研制成功了世界第一台新型表面分析仪器扫描扫描隧道显微镜隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope(ScanningTunneling Microscope，以，以下简称下简称STM)STM)。它的出现，使人类第一次能够原地。它的出现，使人类第一次能够原地观察物质表面单个原子的排列状态和与表面电子行观察物质表面单个原子的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公为有关的物理、化学性质，被国际科学界公n n认为是认为是8080年代世界十大科技成就之一。年代世界十大科技成就之一。n n 与其他表面分析技术与其他表面分析技术相比，相比，STMSTM具有的独具有的独特优点可归纳如下特优点可归纳如下:n n (1)(1)具有原子级高具有原子级高分辨率。分辨率。STMSTM在平行在平行和垂直于样品表面方和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达向的分辨率分别可达0.lnm0.lnm和和0.01nm0.01nm，即可以分辨出单个原即可以分辨出单个原子。比较了子。比较了STMSTM与其与其他显微镜的分辨率。他显微镜的分辨率。n n（2 2）可实时地得到在实空间中表面的三维图像，）可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动究。这种可实时观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。态过程的研究。n n（3)3)可以观察单个原子层的局部表面结构，而不可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整体相或整个表面的平均性质。因而可直接观是整体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。位置，以及由吸附体引起的表面重构等。n n(4)(4)可在真空、大气、常温等不同环境下工作，可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其他溶液中，不需要特别甚至可将样品浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程中样品无损伤。这些的制样技术，并且探测过程中样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。测等。(5)(5)配合扫描隧道谱配合扫描隧道谱STS(Scanning Tun-neling STS(Scanning Tun-neling Spectroscopy)Spectroscopy)可以得到有关表面电子结构的信可以得到有关表面电子结构的信息。例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、息。例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。（6 6）能真实地反映材料表面的三维图像。因此，可）能真实地反映材料表面的三维图像。因此，可在微米度域至纳米度域测量材料断裂表面的粗糙在微米度域至纳米度域测量材料断裂表面的粗糙度、晶粒大小、表面面积和分形维数以及研究相度、晶粒大小、表面面积和分形维数以及研究相变、材料断裂的原过程等。变、材料断裂的原过程等。(7)(7)可用可用STMSTM针尖对单个原子和分子进行操纵，以针尖对单个原子和分子进行操纵，以及对表面进行纳米级微加工。及对表面进行纳米级微加工。2、STM原理及基本理论n n2.1 2.1 两个基本概念两个基本概念n n 1.1.隧道效应隧道效应n n 金属体内存在大量金属体内存在大量“自由自由”电子，从经典物理学来说，这些电子，从经典物理学来说，这些“自由自由”电子在金属体内能量分布。在绝对零度时，所有自电子在金属体内能量分布。在绝对零度时，所有自由电子的能量都小于费米能级由电子的能量都小于费米能级E EF F，随着温度的升高，一部，随着温度的升高，一部分电子的能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的分电子的能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的数量随着温度的升高而增加。另一方面经典物理学还认为数量随着温度的升高而增加。另一方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一个能量比费米能级在金属边界上存在着一个能量比费米能级E Ef f;高的位垒高的位垒，在金属内的，在金属内的“自由自由”电子，只有能量高于位垒的那些电子电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能从金属内部逸出到外部。但量子力学则认为金属中才可能从金属内部逸出到外部。但量子力学则认为金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波的自由电子还具有波动性，这种电子波11向金属边界传向金属边界传播，在遇到表面位垒时，部分反射为播，在遇到表面位垒时，部分反射为R R，部分透过为，部分透过为T T。这样，即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金属表这样，即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种效应称为隧道效面位垒，形成金属表面上的电子云。这种效应称为隧道效应。应。n n1.2隧道电流n n 两种金属(即电极)靠得很近(通常小于lnm)时，两种金属的电子云将互相渗透，当加上适当的电位时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流就称为隧道电流。2.2 STM工作原理 STM的工作原理是利用量子理论中的隧道效应，将原子线度的极细探针和被研究的物质表面作为两个电极。当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。n n2.3扫描隧道谱(STS)工作原理n n STS有以下几种工作模式:n n (1)恒定电流模式:最简单的得到谱信息的方式便是比较在不同偏压下得到的恒定电流的形貌像。为了准确定位，两幅图像的数据应该同时采集。如果要得到更多的信息，则可以在保持电流恒定的条件下测量电导dl/dV，作为偏压的函数。这种模式强调的是电子态的空间分布。n n (2)恒定阻抗模式:在改变偏压的同时保持隧道阻抗的恒定，利用锁相放大器测量电导。由于恒定隧道阻抗意味着针尖和样品间距儿乎是恒定的(除了零偏压处)，这种模式在金属表面上能得到很好的结果，但在半导体表面由于禁带的存在而不适用。n n n n(3)恒定间距模式:由于谱是在恒定电流模式下测量的，偏压经过零点或禁带将引起针尖和样品的接触，因此只能在正或负的偏压下工作。而恒定间距模式克服了这个缺点，采用保持回路使针尖暂时停在样品表面的恒定位置上，然后改变偏压测量电流，最后反馈回路再调整针尖位置。把得到的I(V)用数值法求出(dl/dV)(I/V)便获得谱的空间分布。n n也可以在表面的每个点测量多个偏压的电流，然后画出不同偏压下的电流图像，即CITS(Current Imaging Tunneling Spectroscopy)，CITS着重强调在所选择的某些特殊偏压处态的贡献。n n n n(4)可变间距模式:恒定间距模式下工作，当偏压较大时，电流可能会变得很大，以致于超出模数转换器(A/D)或电流放大器的范围。可变间距模式通过以下两条途径解决了这个问题:一是在不同的距离测量I(V)，然后利用I与针尖和样品S之间的简单的指数关系把它们胶合一起。其二是在测量I(V)的同时，在陶瓷上加三角波扫描电压。n n(5)恒定平均电流模式:在针尖上加高频调制偏压，将电流信号进行低通滤波后，再送回反馈回路来控制针尖的高度，而将未经滤波的信号送到计算机得到I。3、STM系统简介常用的STM一般由STM探测单元、电子控制单元和计算机控制单元三部分组成。n n3.1 STM探测单元n n STM探测单元由STM探头、减震装置与分置放大器组成。n n3.2 电子线路控制单元n n STM电子线路系统包括:前置放大，反馈单元，X,Y,Z驱动单元，信号增益单元，多路显示及电源单元等。以上的这些单元都可通过计算机的数模转换通道控制，而且可由计算机选定一些参数。n n3.3计算机控制单元n n 计算机控制单元的任务主要是仪器控制、数据采集、存储和图像显示与处理等。4、实验方法n n4.1 STM4.1 STM的操作的操作n n4.2 STM4.2 STM针尖的制备针尖的制备n n 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。型法等。n n4.2.1 4.2.1 钨针尖的制备钨针尖的制备n n 钨针尖的电化学腐蚀方法通常涉及金属电极的阳极钨针尖的电化学腐蚀方法通常涉及金属电极的阳极溶解。有两种方法可以进行这一阳极溶解过程，依据溶解。有两种方法可以进行这一阳极溶解过程，依据所加的电势而分成交流所加的电势而分成交流(AC)(AC)或直流或直流(DC)(DC)腐蚀，这两种腐蚀，这两种方法产生的针尖形状是不同的。方法产生的针尖形状是不同的。ACAC针尖呈圆锥体形状，针尖呈圆锥体形状，锥度角比锥度角比DCDC方法制成的针尖大，方法制成的针尖大，DCDC方法制成的针尖方法制成的针尖呈双曲线体形状，针尖比用呈双曲线体形状，针尖比用ACAC法制成的更尖锐，更适法制成的更尖锐，更适用于用于STMSTM的高分辨成像。的高分辨成像。直流法的装置示于图交流腐蚀法可使用图所示的装置，这种方法所用的交流电压要比直流法小得多，制成一个针尖所需的时间亦短。用交流法制备的针尖亦可用上部或掉在下面的部分，若用掉在下面的部分，在电解液下部亦需用屏蔽溶液保护掉下来的针尖不被进一步腐蚀，。4.2.2 铂铱合金针尖的制备n n 对铂铱合金丝针尖，通常用机械方法成型，虽对铂铱合金丝针尖，通常用机械方法成型，虽n n然其形状的变化较大，但很多实验结果证明也能然其形状的变化较大，但很多实验结果证明也能n n达到原子级分辨率。用电化学腐蚀法制作铂铱针达到原子级分辨率。用电化学腐蚀法制作铂铱针n n尖可采用尖可采用CaC12/H20/HCI,KCI/HZO/HCI,CaC12/H20/HCI,KCI/HZO/HCI,n nNaCN/KOH,NaCN/KOH,熔融熔融NaNOa/NaCINaNOa/NaCI等作为电解液。等作为电解液。n n 对针尖几何形状的要对针尖几何形状的要求不仅体现在小范围内求不仅体现在小范围内原子尺度的表面结构研原子尺度的表面结构研究中，而且在大尺度的究中，而且在大尺度的表面形貌研究中也应考表面形貌研究中也应考虑一些具体要求。对于虑一些具体要求。对于观察表面窄且深的沟槽观察表面窄且深的沟槽或表面的孔洞，使用对或表面的孔洞，使用对称的、具有小曲率半径称的、具有小曲率半径和高纵横比的针尖可以和高纵横比的针尖可以减小针尖形状对所得图减小针尖形状对所得图像的影响。像的影响。n n4.34.3样品的制备技术与表面防护样品的制备技术与表面防护n n 为获得真实的、高质量的为获得真实的、高质量的STMSTM图像，必须制备出图像，必须制备出清洁度极高，具有原子级光洁度的样品，所以清洁度极高，具有原子级光洁度的样品，所以STMSTM对样品有极高的要求。对于不同材料的样品，制备对样品有极高的要求。对于不同材料的样品，制备和处理方法都不同。和处理方法都不同。n n如：如：n n 金属样品的制备金属样品的制备:这类样品要求有极高的清洁度、光这类样品要求有极高的清洁度、光洁度和无氧化。通常采用如下方法进行处理：洁度和无氧化。通常采用如下方法进行处理：n n精密机加工精密机加工-金相砂纸打磨金相砂纸打磨-抛光抛光(机械、电解机械、电解)-Ar)-Ar离离子轰击子轰击-高温退火高温退火5 、STM的应用n n5.1 金属表面的研究n n5.2 材料组织与相结构、相变及扩散的研究扫描隧道显微镜(STM)表面浮凸照片扫描隧道显微镜(STM)贝氏体超精细结构5.3 分形的STM研究