扫描隧道显微镜精.ppt
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1、扫描隧道显微镜第1页,本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第2页,本讲稿共37页扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术 任任何何一一项项发发明明都都不不是是凭凭空空产产生生的的,都都是是在在前前面面的的工工作作的的基基础础上上的的进进化化。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜也也不不例例外外。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜是是用用来来检检测测微微观观形形貌貌的的,在在其其发发明明以以前前,就就有有几几种种微微观观形形貌貌检检测测技技术术了了,只只是是分分辨辨率率较较低低。表表面面微微观形形貌貌的的测量,从原理上可以分量,从原理上可以分为两两类:
2、第第一一类是是光光成成像像,包包括括光光折折射射放放大大成成像像和和光光干干涉涉成成像像。光光折折射射放放大大成成像像检测方方法法的的代代表表是是光光学学显微微镜和和透透射射电子子显微微镜;光光干干涉涉成成像像法法的的代代表表是是光光干干涉涉显微微镜和和TOPO移相干涉移相干涉仪。第第二二类是是对试件件表表面面进行行扫描描,逐逐点点检测,从从而而获得得表表面面微微观形形貌貌的的信信息息。这一一类检测方法的代表是表面方法的代表是表面轮廓廓仪和和扫描描电子子显微微镜(SEM)第3页,本讲稿共37页1.1.光学显微镜光学显微镜 光光学学显显微微镜镜是是在在光光学学放放大大镜镜基基础础上上发发明明的的
3、,放放大大镜镜的的物物体体形形貌貌分分辨辨率率可可达达到到0.1mm。1665年年发发明明了了光光学学显显微微镜镜,它它可可将将被被测测物物体体放放大大数数百百倍倍。光光学学显显微微镜镜经经过过多多次次改改进进,现现在在的的放放大大倍倍数数达达到到1250倍倍。如如果果再再采采用用油油浸浸镜镜头头或或用用紫紫外外光光,放放大大倍倍数数还还能能在在提提高高一一些些。光光学学显显微微镜镜使使用用方方便便,应应用用广广泛泛,但但受受光光波波波波长长的的限限制制,放放大大倍倍数数无无法再提高。法再提高。第4页,本讲稿共37页2.透射电子显微镜(透射电子显微镜(TEM)TEM出现在20世纪30年代,到5
4、0年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理极为相似,只是用波长极短的电子束代替了可见光线,用静电或磁透镜代替光学玻璃透镜,最后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高,点分辨率可达0.3nm,线分辨率可达0.144nm,已达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时,可看到原子排列的晶格图像,并已观察到某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时,试件需放在真空室内。TEM是通过电子束透过试件而放大成像的,电子束穿透材料的能力不强,故试件必须做得极薄,加工这种极薄的试件有相当难度,故TEM的适用范围有限。第5页,本讲稿共37页3.3.表面轮廓仪表面轮廓仪 用探针对试件表面形貌进行接触测量是
5、一种古老的方法。随着测量技术的提高,现在的测量表面粗糙度的轮廓仪,分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损,用金刚石制造。探针尖曲率半径在0.05um左右,这就限制了测量分辨率的提高,且测量时针尖有一定力压向试件,容易划伤试件。一些新式的轮廓仪配备了X、Y双向精密微动工作台,探针在试件表面进行X、Y双向往复扫描,再用计算机处理信息,可以得到表面微观形貌的三维立体图像。这种轮廓仪的检测原理和近代的STM、SPM和AFM极为相似,只是后者使用了更尖锐的探针和更灵敏的探针位移检测方法。第6页,本讲稿共37页4.4.扫描电子显微镜(扫描电子显微镜(SEMSEM)SEM从20世纪60年代开始应用以来
6、,使用日渐广泛。它的工作原理是利用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描,激发二次放电,利用二次放电信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。SEM的放大倍率在10-150000范围内连续可调,试件在真空室中可按观察需要进行升降、平移、旋转或倾斜。SEM在普通热钨丝电子枪条件下,分辨率为5-6nm,如用场发射电子枪,分辨率可达2-3nm。SEM的景深很大,对表面起伏很大的形貌也能得到很好的图像。只是放大倍数较低,达不到原子级的分辨率。第7页,本讲稿共37页5.5.场发射形貌描绘仪场发射形貌描绘仪 场发射原理在1956年由R.Young提出,但直到1971年R.Young和
7、J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上,是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上,可由X向和Y向压电陶瓷驱动,做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上,由反馈电路控制,保持针尖和试件间的距离。R.Young使用的针尖曲率半径为几十纳米,针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后,针尖与试件间产生场发射电流。第8页,本讲稿共37页 探针在试件表面扫描,可根据场发射电流的大小,检测出试件表面的形貌。R.Young用形貌描绘仪继续进行研究,发现当探针尖与试件间距离很近时,较小的外加偏压Vb即可产生隧道电流,并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏
8、感。他们观察到的Is和Vb间为线性关系时,估计针尖-试件间的距离为1.2nm。可惜他们的研究到此为止,虽然已经有了以上发现,但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应,于一项重大发明失之交臂,甚为可惜。5.5.场发射形貌描绘仪场发射形貌描绘仪第9页,本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第10页,本讲稿共37页扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 1982 1982年,年,IBMIBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海宾尼和海罗雷尔研制出世界罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(上第一台扫描隧道显微镜(Scanning
9、Tunnelling MicroscopeScanning Tunnelling Microscope,简称,简称STMSTM)STMSTM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等和与表面电子行为有关的物化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景,被国际科学界公认为领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景,被国际科学界公认为2020世纪世纪8080年代世界十大科技成就之一为表彰年代世界十大科技成就之一为表彰STMSTM的发
10、明者们对科学研究所的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献,作出的杰出贡献,19861986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金 Gerd BiningHernrich Rohere第11页,本讲稿共37页 在在他他们们的的诺诺贝贝尔尔奖奖讲讲演演中中,很很遗遗憾憾地地谈谈到到,假假如如R.Young(场场发发射射形形貌貌描描绘绘仪仪的的发发明明者者)能能够够及及时时意意识识到到真真空空中中隧隧道道效效应应的的重重要要性性,假假如如他他能能及及时时想想到到缩缩小小针针尖尖与与试试件件表表面面间间的的距距离离,那那么么STM公公布布发发表表时时的的发发明明人人名名
11、字字就就是是R.Young了了。遗遗憾憾的的是是,他他们们没没有有意意识识到到这这一一点点,更更没没有有去去缩缩短短那那一一点点微微不不足足道道的的该该死死的的微微小小距距离离,于于是是他他们们发发明明的的所所谓谓形形貌貌描描绘绘仪仪只只能能永永远远地地在在历历史史上上被被记记载载为为一一种种最最接接近近STM的的显显微微仪仪器器了了。令令人人惋惋惜惜的的还还有有,R.Young还还曾曾认认真真研研究究改改进进他他们们的的仪仪器器,并并试试验验过过一一些些办办法法,但但收收效效甚甚微微。他他曾曾一一度度想想到到了了隧隧道道效效应应,并并还还讨讨论论了了谱谱图图学学方方向向的的应应用用,但但唯唯
12、独独没没有有想想到到应应用用到到他他的的形形貌貌描描绘绘以以上上。仅仅此此一一步没有深入下去,就使他们和一项重大科技发明失之交臂,而空自叹息。步没有深入下去,就使他们和一项重大科技发明失之交臂,而空自叹息。扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明第12页,本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第13页,本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第14页,本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第15页,本讲稿共37页 扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 由由于于STM具具有有极极高高的的空空间间分分辨辨能
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