一、STM背景知识ppt课件

1、 扫描隧道显微(STM)实验一、STM的背景知识 自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于外表构造分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FEM)等。但任何一种技术在运用中都会存在这样或那样的局限性。 1982年，IBM(国际商业机器)公司苏黎世实验室的葛宾尼(Gerd Binnig)博士和海罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制胜利了世界第一台新型的外表分析仪器扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)。1、ST

2、M的产生背景一、STM的背景知识使人类第一次可以实时地察看单个原子在物质外表的陈列形状和与外表电子行为有关的物理、化学性质。在外表科学、资料科学、生命科学等领域的研讨中有着艰苦的意义和宽广的前景，被国际科学界公以为二十世纪八十年代世界十大科技成就之一。1986年，STM的发明者 和 被授予诺贝尔物理学奖。2、STM的出现的意义葛宾尼(Gerd Binning) 宾尼 海罗雷尔(Heinrich Rohrer)罗雷尔一、STM的背景知识具有原子级高分辨率。可实时地得到在实空间中外表的三维图象。可察看单个原子层的部分外表构造。可在真空、大气、常温等不同环境下任务，甚至可将样品浸在溶液中，并且探测过

3、程对样品无损伤。配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关外表电子构造的信息。3、STM的优点一、STM的背景知识在STM的恒流任务方式下，有时它对样品外表微粒之间的某些沟槽不可以准确探测，与此相关的分辨率较差。STM所察看的样品必需具有一定程度的导电性。宾尼等人1986年研制造胜利的AFM弥补了STM这方面的缺乏。后来又陆续开展了一系列的扫描探针显微镜，如磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等。 4、STM本身存在着的局限性二、STM的实验目的学习和了解扫描隧道显微镜的原理和构造；观

4、测和验证量子力学中的隧道效应；学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来察看样品的外表形貌；学惯用计算机软件处置原始数据图象；学会分析外表的原子形貌和外表构造。三、STM的根本原理 扫描隧道显微镜的任务原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不能够越过此势垒，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，在普通情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个景象称为隧道效应。1、隧道效应三、STM的根本原理 根据量子力学的动摇实际，粒子穿过势垒的透射系数由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量

5、差V0-E以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的添加，T将指数衰减。三、STM的根本原理 扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研讨物质的外表作为两个电极，当样品与针尖的间隔非常接近时(通常小于 1 nm)，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，构成隧道电流，其大小为： 式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，S为样品与针尖的间隔，是平均功函数，A为常数，在真空条件下约等于 12、隧道电流三、STM的根本原理 由前式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当间隔减小 0.1nm，隧道电流即添加约一个数量级。 因此，根据隧道电流的变化，我们可

6、以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息。 视频讲解四、STM的根本构造 STM 仪器由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组成。整体构造四、STM的根本构造针尖针尖 隧道针尖的构造是扫描隧道显微技术要处理的主要隧道针尖的构造是扫描隧道显微技术要处理的主要问题之一。针尖的大小、外形和化学同一性不仅影响问题之一。针尖的大小、外形和化学同一性不仅影响着着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的外形，而且也扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的外形，而且也影影响着测定的电子态。响着测定的电子态。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法目前制备针尖的方法主要有电

7、化学腐蚀法(金属钨金属钨丝丝)、机械成型法、机械成型法(铂铂-铱合金丝铱合金丝)等。等。 铂铂-铱合金丝铱合金丝 金属钨丝金属钨丝重要部件四、STM的根本构造压电陶瓷压电陶瓷 由于仪器中要控制针尖在样品外表进展高精度的由于仪器中要控制针尖在样品外表进展高精度的扫扫描，用普通机械的控制是很难到达这一要求的。目前描，用普通机械的控制是很难到达这一要求的。目前普普遍运用压电陶瓷资料作为遍运用压电陶瓷资料作为x-y-zx-y-z扫描控制器件。扫描控制器件。 压电陶瓷资料能以简单的方式将压电陶瓷资料能以简单的方式将1mV-1000V1mV-1000V的电压的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。信

8、号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。 重要部件四、STM的根本构造三维扫描控制器三维扫描控制器 单管型扫描控制器：陶瓷管的单管型扫描控制器：陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩。伸展或收缩。重要部件四、STM的根本构造减震系统减震系统 由于仪器任务时针尖与样品的间距普通小于由于仪器任务时针尖与样品的间距普通小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的何微小的震动都会对仪器的稳定

9、性产生影响。必需隔绝震动都会对仪器的稳定性产生影响。必需隔绝的两种类的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。要的。 重要部件四、STM的根本构造电子学控制系统电子学控制系统 扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电电流，在恒电流方式中还要将隧道电流与设定值相比较，流，在恒电流方式中还要将隧道电流与设定值相比较，再经过反响系统控制探针的进与退，从而坚持隧道电再经过反响系统控制探针的进与退，从而坚持隧道电

10、流流的稳定。一切这些功能，都是经过电子学控制系统来的稳定。一切这些功能，都是经过电子学控制系统来实实现的。现的。重要部件五、STM的任务方式恒流方式 利用压电陶瓷控制针尖在样品外表 x-y 方向扫描，而 z 方向的反响回路控制隧道电流的恒定，当样品外表凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，这样探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。五、STM的任务方式恒高方式 针尖的 x-y 方向仍起着扫描的作用，而 z 方向那么坚持绝对高度不变，由于针尖与样品外表的相对高度会随时发生变化，因此隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到外表态密度的分布

11、。五、STM的任务方式其他任务方式：1、I(Z)谱丈量：经过改动针尖的高度得到的一系列的隧道电流而构成的曲线。I(Z)谱可检测针尖的质量。2、I(V)谱丈量：断开反响回路，固定针尖位置，经过一系列不同的偏压下得到的隧道电流而构成的曲线。3、势垒高度图象：对针尖Z方向的压电管加一交流电压从而调制针尖与样品的间隔，可根据调制的信号得到dI/dZ在外表构成的图象。该图象提供了样品外表的微观功函数的空间分布。4、电子态密度图象：在扫描过程中，偏压V以dU调制，从而得到调制后的隧道电流dI，这样dI/dV在外表构成的图象就反响了样品外表的电子态密度分布。六、STM的实验内容金膜外表的原子团簇图像扫描：金

12、膜外表的原子团簇图像扫描：STM图像反映的是外图像反映的是外表局域态密度的形貌，这些形貌正好反映了外表势垒表局域态密度的形貌，这些形貌正好反映了外表势垒的外形，外表势垒的外形与外表原子位置亲密相关。的外形，外表势垒的外形与外表原子位置亲密相关。因此，因此，STM图像直接反映了金属外表的几何构造。由图像直接反映了金属外表的几何构造。由于颗粒比较大，所以防止采用恒高方式，而用恒流方于颗粒比较大，所以防止采用恒高方式，而用恒流方式进展扫描。式进展扫描。六、STM的实验内容高序石墨原子高序石墨原子(HOPG)图像的扫描：扫描隧道显微镜扫图像的扫描：扫描隧道显微镜扫描原子图像时，通常选用石墨作为规范样品

13、。石墨中描原子图像时，通常选用石墨作为规范样品。石墨中的原子陈列成层状，而每一层的原子那么呈六边形周的原子陈列成层状，而每一层的原子那么呈六边形周期陈列，由于石墨外表比较平整，而且原子高度普通期陈列，由于石墨外表比较平整，而且原子高度普通不超越不超越1nm，为了更高速度和更高质量的扫描，我们，为了更高速度和更高质量的扫描，我们运用恒高扫描方式。运用恒高扫描方式。七、实验步骤预备针尖和样品手动逼近样品和针尖，使之间隔约为1mm；切忌使针尖与样品发生相撞；设置参数：“隧道电流置为 0.250.3nA；“针尖偏压置为 100200mV；软件控制马达，使针尖自动逼近进入隧道区；根据不同的样品设置不同的

14、扫描范围(金膜普通取700900nm，石墨普通取515nm)；七、实验步骤根据不同的方式设置不同的扫描速度(恒流方式普通要较慢扫描，恒高方式可较快扫描)，然后开场扫描。得到扫描图像后，可进展一定的图像处置。实验终了后，一定要先运用软件控制马达自动退达1000步以上。封锁系统八、结果分析察看得到图像的原子(或原子团簇)的半径以及以及粒子高度；外表能否有什么异常的景象，对石墨外表的原子图像还可察看原子陈列情况，察看能否有六边形陈列情况；察看图像的质量，分析导致此景象的缘由；平面形貌和三维处置图像进展对比、分析。八、结果分析八、结果分析九、影响图像质量的要素影响仪器分辨率和图像质量的要素主要有以下几

15、点：对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率 、针尖的尖端很尖(最好尖端只需一个原子)、针尖的化学纯度高；压电陶瓷的精度要足够高；减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统的综合运用；电子学控制系统的采集和反响速度和质量；样品的导电性对图像也有一定的影响。各种参数的选择要适宜。十、STM根底上开展起的SPM原子力显微镜原子力显微镜(AFM) 利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小利用一个对微弱力极敏感的微悬臂，其末端有一微小的针尖，由于针的针尖，由于针 尖尖端原子与样品外表尖尖端原子与样品外表 原子间存在极微弱的排原子间存在极微弱的排 斥力，经过扫描时控制斥力，经过扫描时控制 这种力的恒定，同时利这种力的恒定，同时利 用光学检测法可以测得用光学检测法可以测得 微悬臂对应于扫描各点微悬臂对应于扫描各点 的位置变化，从而可以获得样品的外表形貌的信息。的位置变化，从而可以获得样品的外表形貌的信息。 十、STM根底上开展起的SPM磁力显微镜磁力显微镜(MFM)(MFM)摩擦力显微镜摩擦力显微镜LFMLFM 静电力显微镜静电力显微镜(EFM)(EFM)弹道电子发射显微术弹道电子发