第十一讲扫描探针显微分析课件.ppt

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1、第十一讲扫描探针显微分析第十一讲扫描探针显微分析第1页，此课件共55页哦扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPM与纳米科技与纳米科技人类观察和改造世界的历程人类观察和改造世界的历程著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼的设想费曼的设想当当历历史史发发展展到到二二十十世世纪纪八八十十年年代代，一一种种以以物物理理学学为为基基础础、集集多多种种现现代代技术为一体的新型表面分析仪器技术为一体的新型表面分析仪器扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）诞生了。）诞生了。“纳纳米米科科技技”一一词词还还是是二二十十世世纪纪八八十十年年代代才才出出现现的的，也也正正是是SP

2、MSPM技技术术及其应用迅速发展的时期及其应用迅速发展的时期第第5 5届届国国际际STMSTM会会议议与与第第1 1届届国国际际纳纳米米科科技技会会议议于于19901990年年在在美美国国同同时时召召开说明了开说明了SPMSPM与纳米科技之间存在着必然联系与纳米科技之间存在着必然联系SPMSPM的的相相继继问问世世为为纳纳米米科科技技的的诞诞生生与与发发展展起起了了根根本本性性的的推推动动作作用用，而而纳米科技的发展也将为纳米科技的发展也将为SPMSPM的应用提供广阔的天地。的应用提供广阔的天地。2 2第2页，此课件共55页哦扫描探针显微镜扫描探针显微镜SPM与纳米科技与纳米科技人们饶有兴趣的

3、谈论和思考着人们饶有兴趣的谈论和思考着2121世纪的科学与技术，有人说是分子电世纪的科学与技术，有人说是分子电子学时代，也有人说是信息时代。实际上纳米科学与技术将是构成未子学时代，也有人说是信息时代。实际上纳米科学与技术将是构成未来新时代的基础。来新时代的基础。纳米科学和技术是在纳米尺度上纳米科学和技术是在纳米尺度上(0.1nm(0.1nm1OOnm1OOnm之间之间)研究物质（包括研究物质（包括原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科原子、分子）的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。其最终目的是直接以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具技。其最终目的是直接

4、以物质在纳米尺度上表现出来的特性，制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。纳米科学大体包括纳米电有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。纳米科学大体包括纳米电子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学子学、纳米机械学、纳米材料学、纳米生物学、纳米光学、纳米化学等领域。等领域。3 3第3页，此课件共55页哦扫描探针显微术扫描探针显微术自自从从19331933年年德德国国RuskaRuska和和KnollKnoll等等人人在在柏柏林林制制成成第第一一台台电电子子显显微微镜镜后后，有有许许多多用用于于表表面面结结构构分分析析的的现现代代仪仪器器先先后后问问世世。如如透透射射电电子

5、子显显微微镜镜（TEMTEM）、扫扫描描电电子子显显微微镜镜（SEMSEM）、场场电电子子显显微微镜镜（FEM FEM）、场场离离子子显显微微镜镜（FIMFIM）、低低能能电电子子衍衍射射（LEEDLEED）、俄俄歇歇谱谱仪仪（AESAES）、X X射射线线光光电电子子能能谱谱（XPSXPS）、电电子子探探针针等等。这这些些技技术术在在表表面面科科学学各各领领域域的的研研究中起着重要的作用。究中起着重要的作用。但但任任何何一一种种技技术术在在应应用用中中都都会会存存在在这这样样或或那那样样的的局局限限性性，例例如如，LEEDLEED及及X X射射线线衍衍射射等等衍衍射射方方法法要要求求样样品品

6、具具备备周周期期性性结结构构，光光学学显显微微镜镜和和SEMSEM的的分分辨辨率率不不足足以以分分辨辨出出表表面面原原子子，高高分分辨辨TEMTEM主主要要用用于于薄薄层层样样品品的的体体相相和和界界面面研研究究，FEMFEM和和FIMFIM只只能能探探测测在在半半径径小小于于100nm100nm的的针针尖尖上上的的原原子子结结构构和和二二维维几几何何性性质质，且且制制样样技技术术复复杂杂，可可用用来来作作为为样样品品的的研研究究对对象象十十分分有有限限；还还有有一一些些表表面面分分析析技技术术，如如X X射射线线光光电电子子能能谱谱(XPS)(XPS)等等只只能能提提供供空空间间平平均均的的

7、电电子子结结构构信信息息；有有的的技技术术只只能能获获得得间间接接结结果果，还还需需要要用用模模型型来来拟拟合合。此此外外，上上述述一一些些分分析析技技术术对对测测量量环环境境也也有有特特殊殊要要求求，例如真空条件等。例如真空条件等。4 4第4页，此课件共55页哦扫描探针显微术扫描探针显微术19821982年年，国国际际商商业业机机器器公公司司苏苏黎黎世世实实验验室室的的葛葛宾宾尼尼（Gerd Gerd BinnigBinnig）博博士士和和海海罗罗雷雷尔尔(Heinrich(Heinrich Rohrer)Rohrer)博博士士及及其其同同事事们们共共同同研研制制成成功功了了世世界界第第一一

8、台台新新型型的的表表面面分分析析仪仪器器扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜（Scanning Scanning Tunneling Tunneling Microscope,Microscope,以以下下简简称称STMSTM）。它它的的出出现现，使使人人类类第第一一次次能能够够实实时时地地观观察察单单个个原原子子在在物物质质表表面面的的排排列列状状态态和和与与表表面面电电子子行行为为有有关关的的物物理理、化化学学性性质质，在在表表面面科科学学、材材料料科科学学、生生命命科科学学等等领领域域的的研研究究中中有有着着重重大大的的意意义义和和广广阔阔的的应应用用前前景景，被被国国际际科科学学界界公公认认为

9、为八八十十年年代代世世界界十十大大科科技技成成就就之之一一。为为表表彰彰STMSTM的的发发明明者者们们对对科科学学研研究究的的杰杰出出贡贡献，献，19861986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。在在STMSTM出出现现以以后后，又又陆陆续续发发展展了了一一系系列列工工作作原原理理相相似似的的新新型型显显微微技技术术目目前前以以STM和和AFM为为代代表表的的扫扫描描探探针针显显微微技技术术，以以其其独独特特的的性性能能引引起起了了世世界界各各国国科科学学家家的的极极大大兴兴趣趣和和热热情情，在在表表面面科科学学、材材料料科科学学、微微电子学、生命科学等

10、研究领域获得了广泛的应用。电子学、生命科学等研究领域获得了广泛的应用。5 5第5页，此课件共55页哦扫描探针显微镜的一般原理扫描探针显微镜的一般原理利利用用探探针针可可研研究究材材料料表表面面的的局局域域性性质质。让让探探针针在在样样品品表表面面进进行行扫扫描描的的同同时时，进进行行精精确确的的反反馈馈控控制制就就可可获获得得材材料料表表面面性性质质的的高高分分辨辨图图像像，扫扫描探针系列显微镜就是根据这一原理发展起来的。描探针系列显微镜就是根据这一原理发展起来的。目目前前，SPM已已能能够够从从原原子子尺尺度度到到微微米米尺尺度度对对材材料料表表面面性性质质进进行行广广泛泛的的研研究究。我我

11、们们不不仅仅可可以以获获得得材材料料表表面面形形貌貌的的三三维维高高分分辨辨图图像像，在在某某些些情情况况下下，还还可可以以得得到到表表面面电电导导、静静电电荷荷分分布布、磁磁性性、局局部部摩摩擦擦学学性性能能、局部弹性模量等材料的许多物理性质。局部弹性模量等材料的许多物理性质。SPM原理简图 6 6第6页，此课件共55页哦扫描探针显微镜的一般原理扫描探针显微镜的一般原理SPMSPM系统主要由以下儿部分组成：系统主要由以下儿部分组成：(1)(1)带针尖的传感元件；带针尖的传感元件；(2)(2)传感元件运动检测装置。传感元件运动检测装置。(3)(3)监控传感元件运动的反馈回路；监控传感元件运动的

12、反馈回路；(4)(4)机机械械扫扫描描系系统统(一一般般使使用用压压电电陶陶瓷瓷)，其其作作用用是是使使样样品品 进进行行扫扫描描运动。运动。(5)(5)图像采集及显示系统，可对数据进行测量并实时显示；图像采集及显示系统，可对数据进行测量并实时显示；(6)(6)图像处理系统。图像处理系统。7 7第7页，此课件共55页哦扫描探针显微镜的一般原理扫描探针显微镜的一般原理SPM的结构示意图的结构示意图压压电电陶陶瓷瓷驱驱使使微微悬悬臂臂在在接接近近共共振振频频率率处处作作强强迫迫振振动动，利利用用样样品品与与针针尖尖在在10-100 10-100 nm nm 范范围围内内的的长长程程力力(如如吸吸引

13、引的的范范德德瓦瓦尔尔力力、磁磁力力、静静电电力力等等)，改改变变微微悬悬臂臂的的振振动动情情况况，为为保保持持振振动动情情况况不不变变所所加加的的信信号号反反映映表面起伏。表面起伏。8 8第8页，此课件共55页哦SPMSPM显微镜名称显微镜名称传感方式传感方式纵分辨纵分辨力力横分辨力横分辨力技术特点技术特点STMSTM扫描隧道显微扫描隧道显微镜镜隧道电流隧道电流0.01nm0.01nm0.1nm0.1nm原子分辨力、三维原子分辨力、三维像、不破坏样品、像、不破坏样品、任意环境任意环境AFMAFM原子力显微镜原子力显微镜原子间力原子间力0.01nm0.01nm0.1nm0.1nm可测非导体，工

14、作可测非导体，工作环境任意环境任意FFMFFM摩擦力显微镜摩擦力显微镜横向摩擦横向摩擦1nm100nm离子浓度离子浓度BEEM弹道电子发射弹道电子发射显微镜显微镜电场电场1nm测表面或界面测表面或界面STHM扫描热显微镜扫描热显微镜热散失传热散失传递递几十几十nm表面温度分布表面温度分布STP扫描隧道电位扫描隧道电位仪仪隧道电压隧道电压试件表面的电位试件表面的电位分布分布PSTM光子扫描隧道光子扫描隧道显微镜显微镜光子光子光波波光波波长长光相互作用光相互作用Kelvin开尔文显微镜开尔文显微镜SNOM扫描近场光学扫描近场光学显微镜显微镜近场光学近场光学30-100nm光谱分析，信息光谱分析，信

15、息存储存储SNAM扫描近场声显扫描近场声显微镜微镜近场声学近场声学SPM显微镜名称显微镜名称传感方式传感方式纵分辨纵分辨力力横分辨横分辨力力技术特点技术特点1010第10页，此课件共55页哦扫描探针显微术扫描探针显微术与其它表面分析技术相比，与其它表面分析技术相比，SPMSPM所具有的独特优点可归纳为以下五条：所具有的独特优点可归纳为以下五条：1 1、原原子子级级高高分分辨辨率率。如如STMSTM在在平平行行和和垂垂直直于于样样品品表表面面方方向向的的分分辨辨率率分分别别可达可达0.1nm0.1nm和和0.01nm0.01nm，即可以分辨出单个原子，具有原子级的分辨率。，即可以分辨出单个原子，

16、具有原子级的分辨率。扫描探针显微镜（SPM）与其他显微镜技术的分辨本领范围比较HM：高分辨光学显微镜；PCM：相反差显微镜；(S)TEM：（扫描）透射电子显微镜；FIM：场离子显微镜；REM：反射电子显微镜1111第11页，此课件共55页哦扫描探针显微术扫描探针显微术2 2、可可实实时时地地得得到到实实空空间间中中表表面面的的三三维维图图像像，可可用用于于具具有有周周期期性性或或不不具具备备周周期期性性的的表表面面结结构构研研究究。这这种种可可实实时时观观测测的的性性能能可可用用于于表表面面扩扩散散等等动动态过程的研究。态过程的研究。3 3、可可以以观观察察单单个个原原子子层层的的局局部部表表

17、面面结结构构，而而不不是是体体相相或或整整个个表表面面的的平平均均性性质质。因因而而可可直直接接观观察察到到表表面面缺缺陷陷、表表面面重重构构、表表面面吸吸附附体体的的形形态态和和位置，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。4 4、可可在在真真空空、大大气气、常常温温等等不不同同环环境境下下工工作作，甚甚至至可可将将样样品品浸浸在在水水和和其其它它溶溶液液中中，不不需需要要特特别别的的制制样样技技术术，并并且且探探测测过过程程对对样样品品无无损损伤伤。这这些些特特点点适适用用于于研研究究生生物物样样品品和和在在不不同同试试验验条条件件下下对对样样品品表表面面的的评评

18、价价，例例如如对对于于多多相相催催化化机机理理、超超导导机机制制、电电化化学学反反应应过过程程中中电电极极表表面面变变化化的监测等。的监测等。5 5、配配合合扫扫描描隧隧道道谱谱STS(Scanning STS(Scanning Tunneling Tunneling Spectroscopy)Spectroscopy)可可以以得得到到有有关关表表面面结结构构的的信信息息，例例如如表表面面不不同同层层次次的的态态密密度度、表表面面电电子子阱阱、电电荷荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。1212第12页，此课件共55页哦扫描探针显微术扫描探针显微术扫描探针显

19、微镜（扫描探针显微镜（SPMSPM）与其他显微镜技术的各项性能指标比较）与其他显微镜技术的各项性能指标比较 分辨率分辨率工作环境工作环境样品环境样品环境温度温度对样品对样品破坏程度破坏程度检测深度检测深度扫描探针显微扫描探针显微镜（镜（SPMSPM）原子级原子级(0.1nm)(0.1nm)实环境、大气、实环境、大气、溶液、真空溶液、真空室温或低温室温或低温无无100m100m量级量级透射电镜透射电镜（TEMTEM）点分辨点分辨(0.3-(0.3-0.5nm)0.5nm)晶格分晶格分辨辨(0.1-0.2nm)(0.1-0.2nm)高真空高真空室温室温小小接近接近SEM,SEM,但实际上为但实际上

20、为样品厚度所限，一般样品厚度所限，一般小于小于100nm100nm扫描电镜扫描电镜（SEMSEM）6-10nm6-10nm高真空高真空室温室温小小10mm(1010mm(10倍时倍时)1m(100001m(10000倍时倍时)场离子显微镜场离子显微镜（FIMFIM）原子级原子级超高真空超高真空30-80K30-80K有有原子厚度原子厚度此外，在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉，因此，SPM技术一经发明，就带动纳米科技快速发展，并在很短的时间内得到广泛应用。13

21、13第13页，此课件共55页哦STM引言引言 19821982年年，IBMIBM公公司司苏苏黎黎世世实实验验室室的的G.BinnigG.Binnig和和H.RohrerH.Rohrer共共同同研研制制成成功功了了世世界界第第一一台台新新型型的的表表面面分分析析仪仪器器扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜。它它的的问问世世，使使人人类类第第一一次次能能够够实实时时地地观观察察到到原原子子在在物物质质表表面面的的排排列列状状态态和和与与表表面面电电子子行行为为有有关关的的物物理理化化学学性性质质，对对表表面面科科学学、材材料料科科学学、生生命命科科学学和和微微电电子子技技术术的的研研究究有有着着重重大大的

22、的意意义义和和广广阔阔的的应应用用前前景景，被被科科学学界界公公认认为为是是表表面面科科学学和和表表面面现现象象分分析析技技术术的的一一次次革革命命。为为此此，他他们们与与电电子子显显微微镜镜的的创创制制者者E.RuskaE.Ruska一一起起荣荣获获19861986年年诺诺贝尔物理奖。贝尔物理奖。1414第14页，此课件共55页哦STM引言引言与其他表面分析技术相比，与其他表面分析技术相比，STMSTM具有以下优点：具有以下优点：具具有有原原子子级级分分辨辨率率。平平行行和和垂垂直直于于表表面面方方向向的的分分辨辨率率分分别别可可达达0.1nm0.1nm和和0.01nm0.01nm，即可以分

23、辨出单个原子。，即可以分辨出单个原子。可可实实时时地地得得到到在在实实空空间间中中表表面面的的三三维维图图像像，不不需需要要用用试试差差模模体体进进行行对对比比计计算算（如如LEEDLEED等等），因因而而可可用用于于具具有有周周期期性性或或不不具具备备周周期期性性的的表表面面结结构构。这这种种可可以以实实时时观观测测的的性性能能非非常常有有利利于于对对表表面面反反应、扩散等动态过程的研究。应、扩散等动态过程的研究。1515第15页，此课件共55页哦STM引言引言v可可以以得得到到单单原原子子层层表表面面的的局局部部结结构构，而而不不是是体体相相的的平平均均性性质质。因因此此可可以以直直接接观

24、观测测到到局局部部的的表表面面缺缺陷陷、表表面面重重构构、表表面面吸吸附附体体的的形形态态和和位位置置，以及由吸附体引起的表面重构等。以及由吸附体引起的表面重构等。v可可在在真真空空、大大气气、常常温温、低低温温等等不不同同条条件件下下工工作作，甚甚至至样样品品可可浸浸在在水水、电电解解液液、液液氮氮或或液液氦氦中中。不不需需要要特特别别的的制制样样技技术术并并且且探探测测过过程程对对样样品品无无损损伤伤。这这些些特特点点非非常常适适用用于于研研究究生生物物样样品品和和在在不不同同实实验验条条件件下下对对样样品品表表面面的的评评价价，例例如如对对催催化化机机理理、超超导导材材料料的的超超导导机

25、机制制、电电化化学学反反应应过程中电极表面变化的监测等。过程中电极表面变化的监测等。1616第16页，此课件共55页哦STM引言引言v在在获获得得样样品品表表面面形形貌貌的的同同时时，亦亦可可得得到到扫扫描描隧隧道道谱谱（STSSTS），可可用用它它研研究究表表面面的的电电子子结结构构，如如表表面面价价电电子子轨轨道道状状态态、表表面面电电子子陷陷阱阱、电电荷荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。1717第17页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理v扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的基基本本原原理理是是基基于于量量子子隧隧道道效效应应。将将原原子子线线度度

26、的的极极细细针针尖尖和和被被研研究究物物质质的的表表面面作作为为两两个个电电极极，当当样样品品与与针针尖尖的的距距离离非非常常接接近近时时（通通常常小小于于1nm1nm），在在外外加加电电场场的的作作用用下下，电电子子会会穿穿过过两两个个电电极极之之间间的的绝绝缘缘层层流流向向另另一一电电极极。这这种种现现象象称为隧道效应。称为隧道效应。经典力学经典力学1818第18页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理STM工工作作时时，在在样样品品和和针针尖尖间间加加一一定定电电压压，当当样样品品与与针针尖尖的的距距离离小小于于一一定定值值时时，由由于于量量子子隧隧道道效效应应，样样品品和和针针尖尖间

27、间产产生生隧隧道道电电流流。在在低低温温低压下，隧道电流低压下，隧道电流I可近似地表达为可近似地表达为I exp-2ksI exp-2ksXZI表表示示隧隧道道电电流流，s表表示示样样品品与与针针尖尖间间的的距距离离，k为为常常数数。在在真真空空隧隧道道条条件件下下，k与与有有效效局局部部功功函函数数有有关关，可可近近似似表表示示为为k=(2/h)(2m)1/2m为为电电子子质质量量，为为有有效效局局部部功功函函数，数，h为普朗克常数。为普朗克常数。1919第19页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理I-sI-s有指数关系：有指数关系：I exp-2ksI exp-2ks 隧道电流在隧道电

28、流在10109 910106 6 量级量级 当当s s增加增加ss时：时：I exp-2ksI exp-2ksexp-2ksexp-2ks 设设 s=1s=1，k1k11 1 (5eV)5eV)则则 exp-2ks=eexp-2ks=e2 2 1/8 1/8 即：当即：当s s增加增加 1 1 时，时，I I将减少一个数量级。将减少一个数量级。2020第20页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理当间隙当间隙s每增加每增加0.1nm时，隧道电流时，隧道电流I将下降一个数量级。将下降一个数量级。STM工工作作时时，针针尖尖与与样样品品间间的的距距离离一一般般约约为为0.4nm0.4nm，此此时

29、时针针尖尖与与表表面面的相互作用可以忽略不计，隧道电流的相互作用可以忽略不计，隧道电流I I可更准确表达为可更准确表达为 Mur表表示示隧隧道道矩矩阵阵元元，f(Eu)为为费费米米函函数数，V为为跨跨越越能能垒垒的的电电压压，Eu表表示状态示状态u u的能量，的能量，u,ru,r表示针尖和样品表面的所有状态。表示针尖和样品表面的所有状态。Mur可表示为可表示为 2121第21页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理隧隧道道电电流流I并并非非样样品品表表面面起起伏伏的的简简单单函函数数，它它表表征征样样品品和和针针尖尖电电子子波波面面数数的的重重叠叠程程度度。有有文文献献将将隧隧道道电电流流I

30、与与针针尖尖和和样样品品之之间间距距离离s以以及及平平均均功函数由之间的关系表示功函数由之间的关系表示 其其中中，V Vb b为为针针尖尖与与样样品品之之间间所所加加的的偏偏压压，为为针针尖尖与与样样品品的的平平均均功功函函数数，A为为常常数数，在在真真空空条条件件下下，A近近似似为为l。根根据据量量子子力力学学的的有有关关理理论论，由由上上式式可可算算得得：当当距距离离s减减少少0.lnm时时，隧隧道道电电流流I将将增增加加一一个个数数量级，即隧道电流量级，即隧道电流I对样品表面的微观起伏特别敏感。对样品表面的微观起伏特别敏感。2222第22页，此课件共55页哦STM基本原理基本原理精度控制

31、估算精度控制估算：由由 I exp-2 ksI exp-2 ks lnI=-2 ks+lnI=-2 ks+常数常数 两边微分两边微分 I/I=-2 ksI/I=-2 ks 若保持隧道电流若保持隧道电流 I I不变不变 I/I I/I 在在22之内之内 （电路控制可达精度）（电路控制可达精度）设设 k1k11 1，则，则 s 0.01 s 0.01 表明：表明：针尖至表面距离的控制精度可达针尖至表面距离的控制精度可达0.01 0.01 2323第23页，此课件共55页哦STM结构结构一一般般说说来来，扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜由由扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜主主体体、控控制制电电路路、控控制制

32、计计算算机机(测测量量软软件件和和数数据据处处理理软软件件)三三大大部部分分组组成成。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜主主体体包包括括针针尖尖的的平平面面扫扫描描机机构构、样样品品与与针针尖尖间间距距控控制制调调节节机构及系统与外界振动的隔离装置。机构及系统与外界振动的隔离装置。常常用用的的STM针针尖尖安安放放在在一一个个可可进进行行三三维维运运动动的的压压电电陶陶瓷瓷支支架架上上，Lx、Ly、Lz分分别别控控制制针针尖尖在在x、y、z方方向向上上的的运运动动。在在Lx、Ly上上施施加加电电压压，便便可可使使针针尖尖沿沿表表面面扫扫描描；测测量量隧隧道道电电流流 I，并并以以此此反反馈馈控控制制

33、施施加加在在Lz上上的的电电压压Vz；再再利利用用计计算算机机的的测测量量软软件件和和数数据据处处理理软软件件将将得得到到的的信息在屏幕上显示出来。信息在屏幕上显示出来。xyzBiasVoltagePositionControlFeedbackCircuitCurrentAmplifierXZ2424第24页，此课件共55页哦技术关键技术关键 微小距离的移动及控制压电陶瓷微小距离的移动及控制压电陶瓷 位移灵敏度在位移灵敏度在 5 5/V /V 量级量级 STMSTM针尖半径针尖半径R 3-10 R 3-10 针尖与表面距离针尖与表面距离 2-5 2-5 防震防震STM 结构2525第25页，此

34、课件共55页哦STM实验设备实验设备2626第26页，此课件共55页哦STM实验设备实验设备2727第27页，此课件共55页哦STM实验设备实验设备压电陶瓷结构：压电陶瓷结构：柱状柱状 管状管状 双压电陶瓷片双压电陶瓷片2828第28页，此课件共55页哦结构结构 三维控制的压电陶瓷：三维控制的压电陶瓷：PxPx和和PyPy上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面 作光栅作光栅扫描。扫描。利用隧道结电流利用隧道结电流I I反馈，控制加于反馈，控制加于PzPz上的电压来控制上的电压来控制s s，以保持，以保持I I不变。不变。如如s I Pzs I Pz上的电压上的电压 P

35、zPz伸长伸长 ss。V VPzPz(V(VPxPx,V,VPyPy)曲线为样品表面三维轮廓线。曲线为样品表面三维轮廓线。STM 结构2929第29页，此课件共55页哦 XYZ XYZ位移器（样品位置细调位移器（样品位置细调 微小距离移动的精确控制微小距离移动的精确控制 样品粗调样品粗调 使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离 (10-100m)(10-100m)调整到调整到100 100 量级量级 爬虫（爬虫（Louse Louse）结构）结构 精细螺旋机构精细螺旋机构 防震系统分析防震系统分析 使由振动引起的隧道距离变化使由振动引起的隧道距离变化 0.

36、001 nm0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在振动：针对重复性、连续的，通常频率在1 1100Hz)100Hz)STM 结构3030第30页，此课件共55页哦STM工作模式工作模式STM有有两两种种工工作作方方式式。一一种种称称为为恒恒电电流流模模式式:利利用用一一套套电电子子反反馈馈线线路路控控制制隧隧道道电电流流 I，使使其其保保持持恒恒定定。再再通通过过计计算算机机系系统统控控制制针针尖尖在在样样品品表表面面扫扫描描，即即使使针针尖尖沿沿x、y两两个个方方向向作作二二维维运运动动。由由于于要要控控制制隧隧道道电电流流 I 不不变变，针针尖尖与与样样品品表表面面之之间

37、间的的局局域域高高度度也也会会保保持持不不变变，因因而而针针尖尖就就会会随随着着样样品品表表面面的的高高低低起起伏伏而而作作相相同同的的起起伏伏运运动动，高高度度的的信信息息也也就就由由此此反反映映出出来来。这这就就是是说说，STM得得到到了了样样品品表表面面的的三三维维立立体体信信息息。这这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。3131第31页，此课件共55页哦STM工作模式工作模式另另一一种种工工作作模模式式是是恒恒高高度度工工作作:在在对对样样品品进进行行扫扫描描过过程程中中保保持持针针尖尖的的绝绝对对高高度度不不变变

38、；于于是是针针尖尖与与样样品品表表面面的的局局域域距距离离 s 将将发发生生变变化化，隧隧道道电电流流I的的大大小小也也随随着着发发生生变变化化；通通过过计计算算机机记记录录隧隧道道电电流流的的变变化化，并并转转换换成成图图像像信信号号显显示示出出来来，即即得得到到了了STM显显微微图图像像。这这种种工工作作方方式式仅仅适适用用于于样样品品表表面面较较平平坦坦、且且组组成成成成分分单单一一(如如由由同同一一种种原原子子组组成成)的的情情形。形。从从STM的的工工作作原原理理可可以以看看到到：STM工工作作的的特特点点是是利利用用针针尖尖扫扫描描样样品品表表面面，通通过过隧隧道道电电流流获获取取

39、显显微微图图像像，而而不不需需要要光光源源和和透透镜镜。这这正正是是得得名名扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜的原因。的原因。3232第32页，此课件共55页哦1 1表面形貌测量及其分辨率表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R R有一有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区。与与 R R、s s 和和 k k 有如下近似关系：有如下近似关系：R R：针尖半径：针尖半径 S S：针尖至表面距离：针尖至表面距离 若若 R=3 R=3,s=2,s=2,k=1,k=1 -1-1 则则 1.6 1.6 (分辨率分辨率)只有

40、在表面各处逸出功相同时，针尖在只有在表面各处逸出功相同时，针尖在z z方向的位移才表方向的位移才表示样品外形的起伏。示样品外形的起伏。K=K=(1/2)(=(1/2)(1 1+2 2)扫描隧道显微镜的应用扫描隧道显微镜的应用3333第33页，此课件共55页哦2逸出功的测量逸出功的测量 由由 I exp-2 ksI exp-2 ks I/I=-2 ks I/I=-2 ks I/s=2Ik I/s=2Ik 若若I I保持不变保持不变 则：则：dI/ds kdI/ds k1/21/2 工作方式工作方式：扫描中保持扫描中保持I I不变，使不变，使s s有一交流调制，有一交流调制，dI/ds dI/ds

41、 随随x,yx,y变化。变化。dI/ds(x,y)dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。平方后即为逸出功象。3 3扫描隧道谱扫描隧道谱(STS)(STS)在表面的某个位置作在表面的某个位置作I-V I-V 或或dI/dVdI/dVV V，得有特征峰的，得有特征峰的STSSTS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使针尖在。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使针尖在X X、Y Y平面平面扫描，测扫描，测dI/dVdI/dV随随x,yx,y的变化，得扫描隧道谱象。的变化，得扫描隧道谱象。表面的电子性质和化学性质表现在表面的电子性质和化学性质表现在I-VI-V和和dI/dVdI/dVV V 曲曲线中

42、。线中。3434第34页，此课件共55页哦STM应用说明应用说明v水平分辨率水平分辨率:0.1:0.1 nmnm；纵向分辨率纵向分辨率:0.001:0.001 nmnmv如如样样品品表表面面原原子子种种类类不不同同，或或样样品品表表面面吸吸附附有有原原子子、分分子子时时，由由于于不不同同种种类类的的原原子子或或分分子子团团等等具具有有不不同同的的电电子子态态密密度度和和功功函函数数，此此时时STMSTM给给出出的的等等电电子子态态密密度度轮轮廓廓不不再再对对应应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子各自态密度组合后的综合效果。于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子各自态密度

43、组合后的综合效果。v在在VbVb和和I I保保持持不不变变的的扫扫描描过过程程中中，如如果果功功函函数数随随样样品品表表面面的的位位置置而而异异，也也同同样样会会引引起起探探针高度（针高度（VzVz）的变化。）的变化。vSTMSTM不不能能区区分分这这两两个个因因素素，但但用用STSSTS方方法法可可将将此此两两因因素素区区分分开开来来。利利用用表表面面功功函函数数、偏偏置置电电压压VbVb与与隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。v对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量。对于非导体或针尖有沾污的情况，

44、不能进行正确的测量。3535第35页，此课件共55页哦 特点：特点：能测量绝缘体的表面形貌能测量绝缘体的表面形貌 (STM(STM不能不能)测量表面原子间的力测量表面原子间的力 测量弹性、塑性、硬度等测量弹性、塑性、硬度等 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)(AFM)Atomic Force MicroscopeAtomic Force Microscope3636第36页，此课件共55页哦Binnig,Quate,和和Gerber等等人人1986年年在在斯斯坦坦福福大大学学发发明明了了新新一一代代SPM-原原子子力力显显微微镜镜（AFM）。当当时时的的AFM横横向向分分辨辨率率已已经经可可以

45、以达达到到2nm，纵纵向向分分辨辨率率为为0.01nm，这这样样的的分分辨辨率率超超过过了了普普通通扫扫描描电电子子显显微微镜镜。而且而且AFM对工作环境和样品制备的要求比电镜要小的多。对工作环境和样品制备的要求比电镜要小的多。3737第37页，此课件共55页哦AFM AFM 工作原理工作原理 微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。针尖与表面轻轻接触针尖与表面轻轻接触(斥力斥力:10:108 810106 6N)N)。样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定(样品与针尖间距离样品与针尖间距离不变不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的

46、位置变化，从而获得样品形。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样品形貌信息。貌信息。利用了原子间的力利用了原子间的力 关键技术：关键技术：微悬臂微悬臂及其及其位移检测位移检测3838第38页，此课件共55页哦AFM-AFM-工作模式工作模式常常见见的的AFM操操作作模模式式有有四四种种。第第一一种种是是恒恒力力模模式式，即即通通过过反反馈馈回回路路保保持持探探针针与与样样品品表表面面距距离离不不变变，原原子子间间作作用用力力不不变变，这这种种模模式式使使用用最最广广。第第二二种种是是变变化化的的形形变变模模式式，在在扫扫描描过过程程中中，检检测测器器直直接接测测量量微微悬悬臂臂的的形形

47、变变量量，这这种种模模式式因因为为没没有有使使用用反反馈馈回回路路而而具具有有更更高高的的扫扫描描速速度度。第第三三种种是是恒恒梯梯度度模模式式，微微悬悬臂臂是是振振动动的的，检检测测器器通通过过锁锁相相技技术术来来测测量量信信号号。调调制制频频率率选选在在悬悬臂臂机机械械共共振振频频率率附附近近。控控制制微微悬悬臂臂振振幅幅恒恒定定可可保保持持共共振振频频率率f1恒恒定定。由由于于关关系系式式 ，其其中中F是是力力梯梯度度，k是是微微悬悬臂臂的的弹弹性性系系数数，探探针针将将沿沿恒恒力力梯梯度度轨轨迹迹线线运运动动。第第四四种种是是谱谱学学模模式式，力力-距离曲线一般是在扫描范围内选取的几点

48、上测量得到的。距离曲线一般是在扫描范围内选取的几点上测量得到的。根根据据针针尖尖-样样品品间间作作用用力力(引引力力或或斥斥力力)的的不不同同，AFM主主要要有有三三种种成成像像模模式式：接接触触模模式式(Contactmode)、非非接接触触模模式式(Non-Contactmode)和和轻轻敲式（敲式（Tappingmode）。）。3939第39页，此课件共55页哦AFM-AFM-工作模式工作模式（l）接触区，小于几个埃，）接触区，小于几个埃，（2）非接触区域，从几十埃到几百埃。）非接触区域，从几十埃到几百埃。在在接接触触区区域域，针针尖尖原原子子与与样样非非接接触触区区域域品品表表面面原原

49、子子间间为为排排斥斥力力，在在非非接接触触区区域域，则则为为吸吸引引力。力。在在接接触触模模式式下下，针针尖尖与与样样品品的的间间距距非非常常小小，基基本本上上是是紧紧密密接接触触的的。由由于于这这时时针针尖尖尖尖端端原原子子与与样样品品表表面面原原子子的的电电子子云云发发生生重重叠叠，库库仑仑排排斥斥力力（约约为为10-810-11N）将将平平衡衡几几乎乎所所有有可可能能使使两两个个原原子子接接近近的的力力，样样品品的的形形貌貌图图像像即即可可采采用用这这种种斥斥力力模模式式获获得得。接接触触模模式式通通常常可可以以产产生生稳稳定定、高高分分辨辨的图像。的图像。非接触区域接触区距离力吸引力排

50、斥力针尖-样品间力-距离曲线在在非非接接触触模模式式下下，针针尖尖在在样样品品表表面面上上方方520nm距距离离处处扫扫描描，针针尖尖-样样品品间间作作用用力力是是很很弱弱的的长长程程力力范范德德华华吸吸引引力力。由由于于吸吸引引力力远远小小于于排排斥斥力力，为为提提高高信信噪噪比比，必必须须在在针针尖尖上上加加一一小小的的振振荡荡信信号号，以以便便AC检检测测方方式式能够用来检测针尖能够用来检测针尖-样品间较小的作用力。样品间较小的作用力。4040第40页，此课件共55页哦AFM-AFM-工作模式工作模式轻轻敲敲模模式式是是新新发发展展起起来来的的成成像像技技术术，介介于于接接触触模模式式和