隧道显微镜课程学习.pptx

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1、会计学1隧道隧道(sudo)显微镜显微镜第一页，共33页。二、基本原理二、基本原理 1隧道电流隧道电流 隧道结电流密度（对两平行隧道结电流密度（对两平行(pngxng)金属）金属）s：有效隧道距离：有效隧道距离 VT：所加电压：所加电压 ko：ko=：有效势垒高度：有效势垒高度 1/2(1+2)eV 对于真空是几个电子伏对于真空是几个电子伏 对氧化物小于对氧化物小于1电子伏电子伏 第2页/共33页第二页，共33页。I-sI-s有指数关系有指数关系(gun x)(gun x)：I exp-2kos I exp-2kos 隧道电流在隧道电流在10109 910106 A6 A量级量级 当当s s增

2、加增加ss时：时：I exp-2kosexp-2kos I exp-2kosexp-2kos 设设 s=1 s=1，ko1 ko1 1 (1 (5eV)5eV)则则 exp-2kos=e exp-2kos=e2 1/82 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。第3页/共33页第三页，共33页。2 2工作模式工作模式 恒高模式恒高模式 用隧道电流的大小来调制显象管的亮度用隧道电流的大小来调制显象管的亮度 恒电流模式恒电流模式 用电子学反馈的方法控制针尖与样品用电子学反馈的方法控制针尖与样品(yngpn)(yngpn)间距离不变间距离不变(保

3、持隧道电流不变保持隧道电流不变)，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。第4页/共33页第四页，共33页。精度精度(jn d)(jn d)控制估算：控制估算：由由 I exp-2 kos I exp-2 kos lnI=-2 kos+lnI=-2 kos+常数常数 两边微分两边微分 I/I=-2 kos I/I=-2 kos 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(jn(jn d)d)）设设 ko1 ko1 1 1，则，则 s 0.01 s 0.01

4、 表明：针尖至表面距离的控制精度表明：针尖至表面距离的控制精度(jn d)(jn d)可可达达0.01 0.01 第5页/共33页第五页，共33页。三、扫描三、扫描(somio)隧道显微镜的结构隧道显微镜的结构 1.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/V 量级量级 STM针尖半径针尖半径R 3-10 针尖与表面距离针尖与表面距离 2-5 防震防震第6页/共33页第六页，共33页。2.2.结构结构 三维控制的压电陶瓷：三维控制的压电陶瓷：Px Px和和PyPy上加周期锯齿波电压，使针尖沿表上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅

5、扫描。面作光栅扫描。利用隧道结电流利用隧道结电流I I反馈反馈(fnku)(fnku)，控制加于，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 Pz Pz伸长伸长 s s。VPz(VPx,VPy)VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。曲线为样品表面三维轮廓线。第7页/共33页第七页，共33页。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 使针尖使针尖(zhn jin)(zhn jin)与表面的距离，从光学可觉察与表面的距离，从

6、光学可觉察的距离的距离 (10-100m)(10-100m)调整到调整到100 100 量级量级 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 0.001 nm 0.001 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)第8页/共33页第八页，共33页。四、扫描隧道显微镜的应用四、扫描隧道显微镜的应用(yngyng)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

7、径R有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区。与与 R、s 和和 ko 有如下近似关系：有如下近似关系：R：针尖半径：针尖半径 S：针尖至表面距离：针尖至表面距离 若若 R=3,s=2,ko=1 -1 则则 1.6 (分辨率分辨率)只有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方向方向的位移才表示样品外形的起伏。的位移才表示样品外形的起伏。K Ko o=(1/2)(=(1/2)(1 1+2 2)第9页/共33页第九页，共33页。2逸出功的测量逸出功的测量 由由 I exp-2 kos I/I=-2 kos I/s=2Iko 若若I保持不变保持

8、不变 则：则：dI/ds ko1/2 工作方式：工作方式：扫描中保持扫描中保持I不变，使不变，使s有一交流调制，有一交流调制，dI/ds 随随x,y变化。变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。平方后即为逸出功象。3扫描隧道谱扫描隧道谱(STS)在表面的某个位置作在表面的某个位置作I-V 或或dI/dVV，得有特征峰的，得有特征峰的STS。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、Y平面平面(pngmin)扫描，测扫描，测dI/dV随随x,y的变化，得扫描隧的变化，得扫描隧道谱象。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

9、质表现在I-V 和和 dI/dVV 曲线中。曲线中。第10页/共33页第十页，共33页。应用举例应用举例(j l)：Si(111)面的面的 77 结构结构STM 水平水平(shupng)分辨率分辨率:0.1 nm 纵向分辨率纵向分辨率:0.001 nm 信息中包含有形貌特性、逸出功及电子信息中包含有形貌特性、逸出功及电子(dinz)态分布态分布 采用特殊的工作模式采用特殊的工作模式,可把后两者信息提取出来。可把后两者信息提取出来。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，不能进行正确的测量第11页/共33页第十一页，共33页。五、原子力显微镜五、原子力显微镜

10、(AFM)(AFM)Atomic Force Microscope Atomic Force Microscope 1 1特点：特点：能测量能测量(cling)(cling)绝缘体的表面形绝缘体的表面形貌貌 (STM (STM不能不能)测量测量(cling)(cling)表面原子间的力表面原子间的力 测量测量(cling)(cling)弹性、塑性、硬度等弹性、塑性、硬度等 第12页/共33页第十二页，共33页。2 2AFM AFM 的结构的结构(jigu)(jigu)及工作原理及工作原理 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

11、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(样品与针尖间距样品与针尖间距离不变离不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样。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。品形貌信息。利用了原子间的力利用了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移关键技术：微悬臂及其位移(wiy)(wiy)检测检测第13页/共33页第十三页，共33页。3.结构及关键技术结构及关键技术 （振动隔离及样品（振动隔离及样品(yngpn)移动等与移动等与STM相同）相同）（1 1）AFM AFM 微悬臂位移的检测方法微

12、悬臂位移的检测方法要求：要求：有纳米量级的检测灵敏度有纳米量级的检测灵敏度 测量对悬臂产生的作用力小到可忽略测量对悬臂产生的作用力小到可忽略方法：方法：隧道电流法（用隧道电流法（用STMSTM）光学检测法光学检测法:干涉法干涉法 光束光束(gungsh)(gungsh)反射法反射法 电容检测法电容检测法第14页/共33页第十四页，共33页。隧道隧道(sudo)(sudo)电流法（用电流法（用 STM STM）第15页/共33页第十五页，共33页。光束光束(gungsh)(gungsh)反射法反射法第16页/共33页第十六页，共33页。第17页/共33页第十七页，共33页。第18页/共33页第十

13、八页，共33页。第19页/共33页第十九页，共33页。(2)力传感器力传感器(微悬臂微悬臂(xunb)和针尖和针尖)低的力弹性常数低的力弹性常数 高的力学共振频率高的力学共振频率 高的横向刚性高的横向刚性 短的悬臂短的悬臂(xunb)长度长度 带有镜子或电极带有镜子或电极 尽可能尖的尖端尽可能尖的尖端第20页/共33页第二十页，共33页。利用弹性元件形变利用弹性元件形变 F=kz(F=kz(虎克定理虎克定理)F F很小，很小，k k和和zz也必须小。也必须小。但但k k小不符合刚性原则，小不符合刚性原则，因此在降低因此在降低(jingd)k(jingd)k的同时，也要减小的同时，也要减小M M

14、。例例:微杠杆由微杠杆由25m25m金箔作成，重量金箔作成，重量101010kg10kg fd=2kHz fd=2kHz k=210-2 N/m k=210-2 N/m 因因 STM STM 测的测的zz可小至可小至10103 310105 nm5 nm 则有：则有：F=kz F=kz =2(10 =2(101414101016)N16)N第21页/共33页第二十一页，共33页。第22页/共33页第二十二页，共33页。第23页/共33页第二十三页，共33页。第24页/共33页第二十四页，共33页。用简洁的语言或图示的方法说用简洁的语言或图示的方法说明明 STM与与 AFM工作工作(gngzu)

15、原理原理之间的差别之间的差别 第25页/共33页第二十五页，共33页。绝缘样品、生物绝缘样品、生物(shngw)(shngw)样品形貌测量样品形貌测量 4.应用应用(yngyng)例举例举第26页/共33页第二十六页，共33页。弹性和塑性弹性和塑性(sxng)(sxng)测量测量 表面表面(biomin)(biomin)原子间力的测量原子间力的测量第27页/共33页第二十七页，共33页。扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)(SPM)在在STMSTM基础上发展起来基础上发展起来 AFM AFM与样品有轻微接触与样品有轻微接触(斥力状态斥力状态)，使样品有损伤。，使样品有损伤。SPM SPM：压

16、电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强迫振动：压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强迫振动(zhndng)(zhndng)，利用样品与针尖在，利用样品与针尖在10-100 nm 10-100 nm 范围内的长程力范围内的长程力(如吸引的范德瓦尔力、磁力、静电力等如吸引的范德瓦尔力、磁力、静电力等)，改变微悬臂的振，改变微悬臂的振动动(zhndng)(zhndng)情况，为保持振动情况，为保持振动(zhndng)(zhndng)情况不变所加的情况不变所加的信号反映表面起伏。信号反映表面起伏。激光力显微镜（激光力显微镜（LFMLFM）扫描热显微镜扫描热显微镜 磁力显微镜（磁力显微镜（MFMMFM）扫

17、描隧道电位仪扫描隧道电位仪 静电力显微镜（静电力显微镜（EFMEFM）光子扫描隧道显微镜光子扫描隧道显微镜 弹道电子发射技术弹道电子发射技术 扫描近场光学显微镜扫描近场光学显微镜 扫描离子电导显微镜扫描离子电导显微镜第28页/共33页第二十八页，共33页。搬迁分子搬迁分子(fnz)、原子、原子第29页/共33页第二十九页，共33页。第30页/共33页第三十页，共33页。单原子单原子(yunz)器件器件纳米级加工纳米级加工(ji gng)与测量与测量 第31页/共33页第三十一页，共33页。优点：优点：高分辨率高分辨率实时动态实时动态(dngti)过程检测过程检测样品可以是晶体，亦可为非晶结构样品可以是晶体，亦可为非晶结构无需特殊制样技术无需特殊制样技术对样品几乎无损伤对样品几乎无损伤局限性：局限性：表面起伏表面起伏1nm不能观测样品内部不能观测样品内部第32页/共33页第三十二页，共33页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)！第33页/共33页第三十三页，共33页。