STM的原理和应用总结ppt课件.ppt

1 STM的原理和应用 2 STM的原理和应用 发明原理应用发展 3 AuguriesofInnocenceWilliamBlake 1863ToseeaWorldinaGrainofSandAndaHeaveninaWildFlower HoldInfinityinthepalmofyourhandAndEternityinanhour 4 扫描隧道显微镜的发明 光学显微镜使人类的视觉得以延伸 人们可以观察到像细菌 细胞那样小的物体 但由于光波的衍射效应 使得光学显微镜的分辨率只能达到10 7m 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元 扫描电子显微镜 SEM 的分辨率为10 9m 而高分辨透射电子显微镜 HTEM 和扫描透射电子显微镜STEM 可以达到原子级的分辨率 0 1nm 但主要用于薄层样品的体相和界面研究 且要求特殊的样品制备技术和真空条件 场离子显微镜 FIM 是一种能直接观察表面原子的研究装置 但只能探测半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质 且样品制备复杂 可用来作为样品的材料也十分有限 X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器 不能给出样品实空间的信息 且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究 5 1982年 IBM瑞士苏黎士实验室的葛 宾尼和海 罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜 ScanningTunnellingMicroscope 简称STM STM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20世纪80年代世界十大科技成就之一 为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献 1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金 6 STM的工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应 对于经典物理学来说 当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时 它不可能越过此势垒 即透射系数等于零 粒子将完全被弹回 而按照量子力学的计算 在一般情况下 其透射系数不等于零 也就是说 粒子可以穿过比它能量更高的势垒 这个现象称为隧道效应 7 隧道效应是由于粒子的波动性而引起的 只有在一定的条件下 隧道效应才会显著 经计算 透射系数T为 T与势垒宽度a 能量差 V0 E 以及粒子的质量m有着很敏感的关系 随着势垒厚 宽 度a的增加 T将指数衰减 因此在一般的宏观实验中 很难观察到粒子隧穿势垒的现象 8 扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极 当样品与针尖的距离非常接近 通常小于1nm 时 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 隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝 如钨丝 铂 铱丝等 被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流 9 隧道电流I是电子波函数重叠的量度 与针尖和样品之间距离S以及平均功函数 有关 Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压 平均功函数 1和 2分别为针尖和样品的功函数 A为常数 在真空条件下约等于1 10 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系 当距离减小0 1nm 隧道电流即增加约一个数量级 因此 根据隧道电流的变化 我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息 如果同时对x y方向进行扫描 就可以直接得到三维的样品表面形貌图 这就是扫描隧道显微镜的工作原理 11 STM的结构 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 如图所示 Lx Ly Lz分别控制针尖在x y z方向上的运动 在Lx Ly上施加电压 便可使针尖沿表面扫描 测量隧道电流I 并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz 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 12 STM的工作方式 恒电流模式恒高度模式 13 恒电流模式 x y方向进行扫描 在z方向加上电子反馈系统 初始隧道电流为一恒定值 当样品表面凸起时 针尖就向后退 反之 样品表面凹进时 反馈系统就使针尖向前移动 以控制隧道电流的恒定 将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来 就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象 此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品 而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值 14 恒高度模式 在扫描过程中保持针尖的高度不变 通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息 这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品 15 隧道针尖 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一 针尖的大小 形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状 而且也影响着测定的电子态 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率 从而可以减少相位滞后 提高采集速度 如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖 那么隧道电流就会很稳定 而且能够获得原子级分辨的图象 针尖的化学纯度高 就不会涉及系列势垒 例如 针尖表面若有氧化层 则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值 从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前 二者就发生碰撞 16 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法 机械成型法等 制备针尖的材料主要有金属钨丝 铂 铱合金丝等 钨针尖的制备常用电化学腐蚀法 而铂 铱合金针尖则多用机械成型法 一般直接用剪刀剪切而成 17 压电陶瓷 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描 用普通机械的控制是很难达到这一要求的 目前普遍使用压电陶瓷材料作为x y z扫描控制器件 所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场 或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象 许多化合物的单晶 如石英等都具有压电性质 但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料 例如钛酸锆酸铅 Pb Ti Zr O3 简称PZT 和钛酸钡等 压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV 1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移 18 STM有明显的优势 具有极高的分辨率得到的是实时的 真实的样品表面的高分辨率图象使用环境宽松应用领域是宽广的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的 19 STM的应用 STM最重要的用途在于纳米技术上 许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情 而没有什么实际意义 但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义 150年前 微米成为新的精度标准 并成为工业革命的技术基础 最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势 同样 未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准 并首先学习和使用它的国家 不幸的是 目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在 我们应当记住 微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无关紧要 的确 微米与牛和耕犁毫无关系 但它却改变了耕作方式 带来了拖拉机 20 看见 了以前所看不到的东西 STM具有惊人的分辨本领 水平分辨率小于0 1纳米 垂直分辨率小于0 001纳米 一般来讲 物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间 在扫描隧道显微镜下 导电物质表面结构的原子 分子状态清晰可见 21 实现了单原子和单分子操纵 利用STM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横向移动 具体又可分为 牵引 滑动 推动 三种方式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通过外加一电场 改变分子的形状 但却不破坏它的化学键 22 23 单分子化学反应已经成为现实 提起化学反应 我们最容易联想起来的一组画面就是 化学家将放在几个不同瓶子里的药品倒在一起 然后再通过搅拌或加热等一系列的步骤以获得他们想要的最终产物 然而 现在 科学家们所能做的要比这精细得多 他们甚至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 单原子 单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 选键化学 对分子内的化学键进行选择性的加工 虽然这是一个极具挑战性的目标 但现在已有一些激动人心的演示性的结果 在康奈尔大学Lee和Ho的实验中 STM被用来控制单个的CO分子与Ag 110 表面的单个Fe原子在13K的温度下成键 形成FeCO和Fe CO 2分子 同时 他们还通过利用STM研究C O键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物分子 他们发现CO以一定的倾角与Fe Ag 110 系统成键 即CO分子倾斜地立在Fe原子上 这被看成是Fe原子局域电子性质的体现 24 一个更为直观的例子是由Park等人完成的 他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处 再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来 然后用STM针尖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过程 利用这样的方法 科学家就有可能设计和制造具有各种全新结构的新物质 可以想象 如果我们能够随心所欲地对单个的原子和分子进行操纵和控制 我们就有可能制造出更多的新型药品 新型催化剂 新型材料和更多的我们暂时还无法想象的新产品 这必将对我们的生活产生深远的影响 25 在分子水平上构造电子学器件 我们知道 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导 即流过材料的电流随着所施加的电压的增大而增加 但在单分子尺度下 由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现象 负微分电导 中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象 他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子 捡起 然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个C60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负微分电导效应的量子隧穿结构 这项工作通过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构 这类分子器件一旦转化为产品 将可广泛的用于快速开关 震荡器和锁频电路等方面 这可以极大地提高电子元件的集成度和速度 近年来 科学家在构造和组装分子尺度的机械设备方面取得了不少重要成果 已设计出了类似齿轮 开关 转栅等简单装置的分子器件 例如 已经有科学家报道了用DNA分子制造出一种可以反复开合的镊子 而其每条臂的长度只有 个纳米 我们相信 通过物理 化学 分子生物学 电子学和材料科学的合作 一类基于单原子 单分子的纳米尺度的电子学器件将逐步涌现 并最终转化为造福于我们生活的产品 26 这是科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景 我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子 因为如果身体的某些部分缺氧 那部分就会感到疲劳 画中的蓝色小球称为呼吸者 它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能 而且本身装有纳米计算机 纳米泵 可以根据需要将氧释放 同时将无用的二氧化碳带走 科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去 例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构 微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米 但它的效率却极高 这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进 27 在STM基础上发展起来的各种新型显微镜 扫描隧道显微镜的局限性 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下 有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测 与此相关的分辨率较差 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性 对于半导体 观测的效果就差于导体 对于绝缘体则根本无法直接观察 如果在样品表面覆盖导电层 则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率 扫描隧道显微镜的工作条件受限制 如运行时要防振动 探针材料在南方应选铂金 而不能用钨丝 钨探针易生锈 28 原子力显微镜 AFM 一个对力非常敏感的微悬臂 其尖端有一个微小的探针 当探针轻微地接触样品表面时 由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲 将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大 就可以得到原子之间力的微弱变化的信号 从这里我们可以看出 原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力 从而达到检测的目的 29 弹道电子发射显微镜 BEEM 按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时 由于探针的电势场高于样品 探针会向样品发射电子 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BEEM为界面的研究提供了有价值的数据