扫描隧道显微镜的原理及应用学习教案.pptx

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1、会计学1扫描隧道扫描隧道(sudo)显微镜的原理及应用显微镜的原理及应用第一页，共26页。扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）的发）的发明打开了人类对微观世界观察明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米的大门，使得人类在纳米(n m)尺度上研究单一原子以及单尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。一分子的反应成为可能。STM历史历史(lsh)意义意义第1页/共26页第二页，共26页。STM前的显微镜前的显微镜n n光学显微镜光学显微镜(荷兰人列文虎克发荷兰人列文虎克发明明),用于观察细胞用于观察细胞.n n电子显微镜电子显微镜(德国科学家德国科学家Ernst Ruska和和M

2、ax Knoll发明发明),可以可以(ky)观察到比细胞更小的病观察到比细胞更小的病毒毒.光学光学(gungxu)显微镜显微镜电子显微镜电子显微镜第2页/共26页第三页，共26页。光学光学(gungxu)显微镜和电子显显微镜和电子显微镜的缺陷微镜的缺陷n n光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子.n n电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品电子显微镜

3、由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示.n n总之总之总之总之,以上两种显微镜都不能用于研究以上两种显微镜都不能用于研究以上两种显微镜都不能用于研究以上两种显微镜都不能用于研究(ynji)(ynji)物质的微观表面物质的微观表面物质的微观表面物质的微观表面,人们人们人们人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术急需一种能够观测物质表面结构的显微术急需一种能够观测物质表面结构的显微术急需一

4、种能够观测物质表面结构的显微术.第3页/共26页第四页，共26页。STM的发明的发明(fmng)n n发明人为德裔物理学家葛发明人为德裔物理学家葛发明人为德裔物理学家葛发明人为德裔物理学家葛.宾尼宾尼宾尼宾尼(Gerd Bining)(Gerd Bining)博士和他的导师海博士和他的导师海博士和他的导师海博士和他的导师海.罗罗罗罗雷尔雷尔雷尔雷尔(Heinrich Rohrer)(Heinrich Rohrer)博士博士博士博士n n他们俩当时供职于他们俩当时供职于他们俩当时供职于他们俩当时供职于IBMIBM公司设在瑞士公司设在瑞士公司设在瑞士公司设在瑞士(ru sh)(ru sh)苏黎士的

5、实验室苏黎士的实验室苏黎士的实验室苏黎士的实验室.n n他们的研究方向为超导隧道效应他们的研究方向为超导隧道效应他们的研究方向为超导隧道效应他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明并不是专门为了发明并不是专门为了发明并不是专门为了发明STMSTMn n一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一篇有关杨撰写的一篇有关杨撰写的一篇有关杨撰写的一篇有关“形貌仪形貌仪形貌仪形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应

6、来探测的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测物体表面的想法物体表面的想法物体表面的想法物体表面的想法.n n结果成功了结果成功了结果成功了结果成功了!第4页/共26页第五页，共26页。n nGerd Bining Gerd Bining，Heinrich Rohrer Heinrich Rohrer和和和和Ernst RuskaErnst Ruska荣获荣获荣获荣获(rn(rn hu)1986hu)1986年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖第5页/共26页第六页，共26页。一一 STM工作工作(gngz

7、u)原理原理 扫描隧道显微扫描隧道显微扫描隧道显微扫描隧道显微(xi(xi n wi)n wi)镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微(xi(xi n n wi)wi)装置。装置。装置。装置。隧道隧道(sudo)效应效应 根据量子力学原理，由于粒

8、子存根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道道(sudo)效应。效应。第6页/共26页第七页，共26页。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全(wnqun)局限于金属表面之内，电子云局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极

9、细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品称为样品)的的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离距离1nm)时，两者的电子云略有重叠，时，两者的电子云略有重叠，如图如图 2 所示。若在两极间加上电压所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I。隧道电流。隧道电流 I 的大

10、小与针的大小与针尖和样品间的距离尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度以及样品表面平均势垒的高度p有关，其关系为有关，其关系为 I Uexp-A(ps)1/2，式中式中 A 为常量。如果为常量。如果s以以0.1nm为单位，为单位，p以以 eV为单位，则在真空条件下，为单位，则在真空条件下，A1，I Uexp-(ps)1/2。第7页/共26页第八页，共26页。由此可见，隧道电流由此可见，隧道电流 I 对针尖与样对针尖与样品表面之间的距离品表面之间的距离 s 极为敏感，如果极为敏感，如果 s 减小减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描

11、时，量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子即使其表面只有原子(yunz)尺度的起尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。示出与样品表面结构相关的信息。第8页/共26页第九页，共26页。STM的结构的结构(jigu)常用的常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图 3 所示，所示，Lx、Ly、Lz分分别控制针尖在别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在方向上的运动。在Lx、Ly上

12、施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流道电流 I，并以此反馈，并以此反馈(fnku)控制施加在控制施加在Lz上的电压上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。第9页/共26页第十页，共26页。STM的工作的工作(gngzu)方式方式第10页/共26页第十一页，共26页。恒流模式恒流模式(msh)利用一套电子反馈线路控制隧道利用一套电子反馈线路控制隧道(sudo)电电流流 I，使其保持恒定。再通过计算机系统控，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针

13、尖在样品表面扫描，即保持针尖与样品制针尖在样品表面扫描，即保持针尖与样品表面之间的局域高度不变，针尖随着样品表表面之间的局域高度不变，针尖随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这种工作方式获取信息也就由此反映出来。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛第11页/共26页第十二页，共26页。恒高模式恒高模式(msh)在对样品进行扫描过程在对样品进行扫描过程(guchng)中保持针中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离局域

14、距离 s 将发生变化，隧道电流将发生变化，隧道电流I的大小的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了到了 STM显微图像。这种工作方式仅适用显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由如由同一种原子组成同一种原子组成)的情形。的情形。第12页/共26页第十三页，共26页。二二 STM的应用的应用(yngyng)STM的应用优势的应用优势:STM具有具有(jyu)极高的分辨率极高的分辨率STM得到的是实时的、真实的样得到的是

15、实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。品表面的高分辨率图象。STM的使用环境宽松。的使用环境宽松。STM的应用领域是宽广的的应用领域是宽广的STM的价格相对于电子显微镜等的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。大型仪器来讲是较低的。第13页/共26页第十四页，共26页。STM主要用于纳米技术上，常见主要用于纳米技术上，常见(chn jin)的应用为：的应用为：“看见看见”了以前所看不到的东了以前所看不到的东西西 STM所观察到的并不是真正的所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们通或分子的电子云形态。我们通过过STM所获得的分子图

16、象将不所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一是与分子内部的原子排列一一对应的。对应的。C60在硅晶面上的吸附取向实在硅晶面上的吸附取向实验验第14页/共26页第十五页，共26页。2实现实现(shxin)了单原子和单分了单原子和单分子操纵子操纵 第15页/共26页第十六页，共26页。单原子或单分子操纵方式：单原子或单分子操纵方式：1 利用利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为横向移动，具体又可分为“牵引牵引”、“滑动滑动”、推动、推动”三种方式；三种方

17、式；通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；3 通过外加通过外加(wiji)一电场，改变分子的形状，一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。但却不破坏它的化学键。第16页/共26页第十七页，共26页。3单分子单分子(fnz)化学反应已经成化学反应已经成为现实为现实 可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。或是把单个分子拆开成几个分子或原子。最近研究成果最近研究成果

18、:康奈尔大学康奈尔大学Lee和和Ho用用STM来控制单个的来控制单个的CO分子与分子与Ag(110)表面的单个表面的单个Fe原子在原子在13K的温度下成键，形成的温度下成键，形成FeCO和和Fe(CO)2分子。分子。Park等人将碘代苯分子吸附在等人将碘代苯分子吸附在 Cu单晶表面的原子台阶处，单晶表面的原子台阶处，再利再利 用用STM针尖针尖(zhn jin)将碘原子从分子中剥离出将碘原子从分子中剥离出来，然后用来，然后用 STM针尖针尖(zhn jin)将两个苯活性基团结合将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过

19、程。过程。第17页/共26页第十八页，共26页。4在分子水平在分子水平(shupng)上构造上构造分子器件分子器件 “从上到下从上到下”方法到方法到“从下到上从下到上”方法的变化。方法的变化。相关研究成果相关研究成果:C60单分子开关单分子开关 利用利用STM针尖压迫针尖压迫C60单分子，使单分子，使C60分子变形，从而分子变形，从而通过改变其内部的结构而使其电导增加通过改变其内部的结构而使其电导增加(zngji)了两个了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因此可以把这个体系看成是一种此可以把这个体系看成是一种“电力电力”开关。开关

20、。负微分电导负微分电导中国科技大学的科学家利用中国科技大学的科学家利用STM针尖将吸附在有机分子层表针尖将吸附在有机分子层表面的面的C60分子分子“捡起捡起”，然后再把粘有，然后再把粘有C60分子的针尖移分子的针尖移到另一个到另一个 C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的分子上方。这时，在针尖与衬底上的 C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构负微分电导效应的量子隧穿结构3 7nm长的长的DNA分子镊子分子镊子 第18页/共26页第十九页，共26页。三三 在在STM基础基础(jch)上发展起来的各种新型显

21、微上发展起来的各种新型显微镜镜STM的缺点的缺点:有时分辨率差有时分辨率差只能检测导体和部分半导体。只能检测导体和部分半导体。工作工作(gngzu)条件受限制，如不条件受限制，如不能振动，探针材料可选择性低。能振动，探针材料可选择性低。第19页/共26页第二十页，共26页。1 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)Atomic Force Microscope第20页/共26页第二十一页，共26页。原理：利用纳米级的探针原理：利用纳米级的探针原理：利用纳米级的探针原理：利用纳米级的探针(tn zhn)(tn zhn)固定在可灵敏操控的微固定在可灵敏操控的微固定在可灵敏操控的微固定在可灵敏操控的微米

22、级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针原来的位置。根据扫描样品时探针原来的位置。根据扫描样品时探针原来的位置。根据扫描样品时探针(tn zhn)(tn zhn)偏离量或其偏离量或其偏离量或其偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能

23、间接获得样品表面的形貌它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图图图图相比相比相比相比STMSTM的优点：可以扫描半导体和绝缘体的优点：可以扫描半导体和绝缘体的优点：可以扫描半导体和绝缘体的优点：可以扫描半导体和绝缘体第21页/共26页第二十二页，共26页。2 2 磁力磁力磁力磁力(cl)(cl)显微镜显微镜显微镜显微镜(MFM)(MFM)和静电力显微镜和静电力显微镜和静电力显微镜和静电力显微镜(EFM)(EFM)Magnetic Force Microscope Magnetic Forc

24、e Microscope Electrostatic Force MicroscopeElectrostatic Force Microscopen n由于由于由于由于AFMAFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如磁作用力和静电磁作用力和静电磁作用力和静电磁作用力和静电(jngdin)(jngdin)作用力后，采取抬起模式，即得到了作用力后，采取抬起模式，即得到了作用力后，采取抬起模式，即得到了作用

25、力后，采取抬起模式，即得到了MFMMFM和和和和EFMEFM。第22页/共26页第二十三页，共26页。3 3弹道电子弹道电子弹道电子弹道电子(dinz(dinz)发射显微镜（发射显微镜（发射显微镜（发射显微镜（BEEMBEEM）Ballistic Electron Emission Miroscope Ballistic Electron Emission Miroscope 按照按照STM的工作原理当探针的工作原理当探针(tn zhn)与样品的距离非常近时，由于探针与样品的距离非常近时，由于探针(tn zhn)的电势场高于样品，的电势场高于样品，探针探针(tn zhn)会向样品发射电子，这些

26、隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了许多有关界面的信息，因此许多有关界面的信息，因此 BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。为界面的研究提供了有价值的数据。第23页/共26页第二十四页，共26页。4 4 光子光子光子光子

27、(gungz(gungz)扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（PSTMPSTM）Photonic Scanning Tunneling Miroscope Photonic Scanning Tunneling Miroscope PSTM的原现和工作方式在许多方面和的原现和工作方式在许多方面和STM相似。相似。STM利用利用(lyng)电子隧道效电子隧道效应，而应，而PSTM则是利用则是利用(lyng)光子隧道效光子隧道效应。应。第24页/共26页第二十五页，共26页。课堂练习课堂练习(2)在纳米科技的发展史中在纳米科技的发展史中,下列年份下列年份(ninfn)发生哪些重大事件发生哪些重大事件.1959年年;1974年年;1982年年;1984年年第25页/共26页第二十六页，共26页。