隧道显微镜实用教案

1、一、简介 1从光学显微镜电子显微镜场离子显微镜 STM 分辨 200nm 几个nm 2原理 3独特优点： 观察表面形貌达原子分辨 无需任何透镜，不存在象差 可在各种条件下测量： 真空、大气、水、油及液氮中 广泛的应用： 形貌、表面电位、电子态分布 原子力显微镜及原子探针(tn zhn)显微镜 纳米技术、表面微细加工、搬动原子 1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer)第1页/共33页第一页，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（对两平行金属隧道结电流密度（对两平行金属(jnsh)） s：有效隧道距离：有效隧道距离 VT：所加电压：所

2、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： I exp-2kos I exp-2kos 隧道电流在10109 910106 A6 A量级 当s s增加ss时： I exp-2kosexp-2kos I exp-2kosexp-2kos 设 s =1 s =1 ，ko1 ko1 1 (1 ( 5eV)5eV) 则 exp-2kos = e exp-2kos = e2 1/82 1/8 即：当s s增加 1 1 时，I I将

3、减少(jinsho)(jinsho)一个数量级。第3页/共33页第三页，共33页。 2 2工作模式 恒高模式 用隧道电流的大小来调制(tiozh)(tiozh)显象管的亮度 恒电流模式 用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变( (保持隧道电流不变) )，用反馈调制(tiozh)(tiozh)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。精度控制估算：精度控制估算： 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

4、kos 若保持隧道若保持隧道(sudo)(sudo)电流电流 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 ko1 ko1 1 1，则，则 s 0.01 s 0.01 表明：针尖至表面距离的控制精度可达表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01 0.01 第5页/共33页第五页，共33页。三、扫描隧道显微镜的结构三、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 针尖与表面针尖与表面(biomin)距离距

5、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，使针尖沿表面上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅扫描。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

6、。 XYZ XYZ位移器（样品位置细调位移器（样品位置细调 微小微小(wixio)(wixio)距离移动的精确控制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

7、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 1表面形貌测量及其分辨率表面形貌测量及其分辨率 假设样品假设样品(yngpn)表面存在陡变台阶，由表面存在陡变台阶，由于针尖半径于针尖半径R有一定尺寸，针尖的轨迹将有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区有一过渡区。与与 R、s 和和 ko 有如下近似有如下近似关系：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方方向的位移才表示样品向的位

8、移才表示样品(yngpn)外形的起伏。外形的起伏。K Ko o = = = (1/2)( = (1/2)(1 1+2 2) )m2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

9、/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平平面扫描，测面扫描，测dI/dV随随x,y的变化，得扫描隧道谱象。的变化，得扫描隧道谱象。 表面的电子性质和化学性质表现表面的电子性质和化学性质表现(bioxin)在在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(j l)： Si (111) 面的 77 结构STM 水平(shupng)分辨率: 0.1 nm 纵向分辨率: 0.001 nm 信息中包含(bohn)有形貌特性、逸出功及电子态分布 采用特殊的工作模式,可

10、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(AFM)(AFM) Atomic Force Microscope Atomic 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、塑性测量弹性、塑性(sxng)(sxng)、硬度等、硬度等 第12页/共33页第十二页，共33页。2 2AFM AFM 的结构(jigu)(jigu)及工作原理 微悬臂一端固定，另一端有一微小

11、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(lyng)(lyng)了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移检测第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 （振动隔离及样品移动（振动隔离及样品移动(ydng)等与等与STM相同）相

12、同） （1 1）AFM AFM 微悬臂位移的检测方法要求(yoqi)(yoqi)： 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方法： 隧道电流法（用STMSTM） 光学检测法: :干涉法 光束反射法 电容检测法第14页/共33页第十四页，共33页。隧道(sudo)(sudo)电流法（用 STM STM）第15页/共33页第十五页，共33页。光束(gungsh)(gungsh)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( 微悬臂和针尖微悬臂和针尖

13、 ) 低的力弹性常数低的力弹性常数(chngsh) 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第20页/共33页第二十页，共33页。利用弹性元件形变 F = kz( F = kz(虎克定理) ) F F很小，k k和zz也必须小。 但k k小不符合刚性(n xn)(n xn)原则， 因此在降低k k的同时，也要减小M M。 例: : 微杠杆由25m25m金箔作成，重量101010kg10kg fd = 2kHz fd = 2kHz k = 2 k = 210-2 N/m10-2 N/m 因 S

14、TM STM 测的zz可小至10103 310105 nm5 nm 则有：F = kz F = kz = 2 = 2(10(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。用简洁用简洁(jinji)的语言或图示的的语言或图示的方法说明方法说明 STM与与 AFM工作原理之工作原理之间的差别间的差别 第25页/共33页第二十五页，共33页。 绝缘样品、生物(shngw)(shngw)样品形貌测量 4. 应用(yngyng)例举第26页/共33页第二十

15、六页，共33页。 弹性和塑性(sxng)(sxng)测量 表面(biomin)(biomin)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：压电陶瓷驱使微悬臂在接近：压电陶瓷驱使微悬臂在接近(jijn)(jijn)共振频率处作共振频率处作强迫振动，利用样品与针尖在强迫振动，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，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映表面起伏。振动情况，为保持振动情况不变所加的信号反映表面起伏。 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