扫描隧道显微镜(STM)

1、 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (STM) Scanning Tunneling Microscope 一一、简介简介 二二、基本原理基本原理 三三、STM的结构及关键技术的结构及关键技术 四四、应用应用 1表面形貌测量及分辨率表面形貌测量及分辨率 2逸出功的测量逸出功的测量 3. 扫描隧道谱扫描隧道谱 (STS)五五、原子力显微镜（原子力显微镜（AFM） 1特点特点 2工作原理工作原理3结构及关键技术结构及关键技术 力传感器力传感器 微悬臂位移检测法微悬臂位移检测法4应用例举应用例举六六、扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM） 一、简介简介 1从光学显微镜从光学显微镜电子显微镜电子显微镜场

2、离子显微镜场离子显微镜 STM STM 分辨分辨 200nm 几个几个nm 2原理原理 3独特优点：独特优点： 观察表面形貌达原子分辨观察表面形貌达原子分辨 无需任何透镜，不存在象差无需任何透镜，不存在象差 可在各种条件下测量：可在各种条件下测量： 真空、大气、水、油及液氮中真空、大气、水、油及液氮中 广泛的应用：广泛的应用： 形貌、表面电位、电子态分布形貌、表面电位、电子态分布 原子力显微镜及原子探针显微镜原子力显微镜及原子探针显微镜 纳米技术、表面微细加工、搬动原子纳米技术、表面微细加工、搬动原子 19861986年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer

3、)(G.Binnig and H.Rohrer)二二、基本原理基本原理 1 1隧道电流隧道电流 隧道结电流密度（对两平行金属）隧道结电流密度（对两平行金属） 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 (1 1+2 2)eV)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 1电子伏电子伏 )2exp(40202skVskeJTm2I-sI-s有指数关系：有指数关系： I exp-2kI exp-2ko oss 隧道电流在隧道电流在10109 910106 6 A A量级量级 当当s s增加

4、增加ss时：时： I exp-2kI exp-2ko osexp-2ksexp-2ko oss 设设 s =1s =1 ，k ko o11 1 1 ( 5eV)5eV) 则则 exp-2kexp-2ko os = es = 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。 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间用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变距离不变( (保持隧道电流不变保持隧道电流不变) )，

5、用反馈调，用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。维图象。精度控制估算精度控制估算： 由由 I exp- 2 kI exp- 2 ko oss lnI = - 2 k lnI = - 2 ko os + s + 常数常数 两边微分两边微分 I/I = - 2 kI/I = - 2 ko oss 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2 2之内之内 （电路控制可达精度）（电路控制可达精度） 设设 k ko o11 1 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

6、可达0.01 0.01 三三、扫描隧道显微镜的结构扫描隧道显微镜的结构 1. 技术关键技术关键 微小距离的移动及控微小距离的移动及控制压电陶瓷制压电陶瓷 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2.2.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，使针尖沿表上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅扫描。面作光栅扫描。 利用隧道结电流利用隧道结电流I I反馈，控制加于反馈，控制加于PzPz上的电上的电压来控制压来控制s s，以保

7、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。 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。 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 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

8、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)四四、扫描隧道显微镜的应用扫描隧道显微镜的应用 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 R、s s 和和 k ko o 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 =

9、3 , s = 2 , s = 2 , k, ko o = 1 = 1 -1-1 则则 1.6 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 z方向的方向的位移才表示样品外形的起伏。位移才表示样品外形的起伏。02ksR K Ko o = = = (1/2)( = (1/2)(1 1+2 2) )m22逸出功的测量逸出功的测量 由由 I exp- 2 kI exp- 2 ko oss I/I = - 2 k I/I = - 2 ko oss I/s = 2Ik I/s = 2Iko o 若若I I保持不变保持不变 则：则：dI/ds k

10、dI/ds ko o1/21/2 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 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，得有特征峰的峰的STSSTS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使针尖在针尖在X X、Y Y平面扫描，测平面扫描，测dI/dVdI/dV随随x,yx,y的变化

11、，得扫的变化，得扫描隧道谱象。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-V I-V 和和 dI/dVdI/dVV V 曲线中。曲线中。应用举例：应用举例： Si (111) 面的面的 77 结构结构STM 水平分辨率水平分辨率: 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、逸出功及电子态分布信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布 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五、原子力显

12、微镜五、原子力显微镜(AFM)(AFM) Atomic Force MicroscopeAtomic Force Microscope 1 1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 2 2AFM AFM 的结构及工作原理的结构及工作原理 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

13、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3. 结构及关键技术结构及关键技术 （振动隔离及样品移动等与（振动隔离及样品移动等与STM相同）相同） （1 1）AFM AFM 微悬臂位移的检测方法微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： 隧道电流法隧道电流法

14、（用（用STM） 光学检测法光学检测法: :干涉法干涉法 光束反射法光束反射法 电容检测法电容检测法隧道电流法（用隧道电流法（用 STM）光束反射法光束反射法(2)力传感器力传感器( ( 微悬臂和针尖微悬臂和针尖 ) ) 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 短的悬臂长度短的悬臂长度 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

15、降低k k的同时，也要减小的同时，也要减小M。 例例: : 微杠杆由微杠杆由25m25m金箔作成，重量金箔作成，重量10101010kgkg f fd d = 2kHz = 2kHz k = 2 k = 21010-2 -2 N/mN/m 因因 STM 测的测的zz可小至可小至10103 310105 5 nm nm 则有：则有：F = kz F = kz = 2 = 2(10(10141410101616)N)NMkdf21用简洁的语言或图示的方法用简洁的语言或图示的方法说明说明 STM与与 AFM工作原理之间工作原理之间的差别的差别 绝缘样品、生物样品形貌测量绝缘样品、生物样品形貌测量 4

16、. 应用例举应用例举 弹性和塑性测量弹性和塑性测量 表面原子间力的测量表面原子间力的测量扫描探针显微镜扫描探针显微镜( (SPM) ) 在在STM基础上发展起来基础上发展起来 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：压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强迫振动，利用样品与针尖在迫振动，利用样品与针尖在10-100 nm 10-100 nm 范围内的长程范围内的长程力力( (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，改变微悬臂的振动情况，为保持振动情况不变所加的信号反悬臂的振动情况，为保持振动情况不变所加的信号反映表面起伏。映表面起伏。 激光力显微镜（激光力显微镜（LFM） 扫描热显微镜扫描热显微镜 磁力显微镜（磁力显微镜（MFM） 扫描隧道电位仪扫描隧道电位仪