扫描隧道显微镜 (2)

1、资料资料 纳米材料的测试分析技术纳米材料的测试分析技术 由于科学家和工程师对纳米材料和器件由于科学家和工程师对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得的许多基本特征、结构和相互作用了解得还很不充分，许多基本数据还很缺乏或准还很不充分，许多基本数据还很缺乏或准确性不够，使纳米材料和器件设计、制造、确性不够，使纳米材料和器件设计、制造、使用存在在相当的盲目性。使用存在在相当的盲目性。 对纳米材料和纳米器件的研究和发展来对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说，测试分析技术起着至关重要的作用。说，测试分析技术起着至关重要的作用。两者的进步是相互伴随的，它们相互依存，两者的进步是相互伴随的，它们

2、相互依存，共同发展。共同发展。 纳米材料的纳米材料的分析和表征分析和表征粒度分析形貌分析结构分析 成份分析STM Show time 2020世纪世纪8080年代初期，年代初期，IBMIBM公司苏黎世实验公司苏黎世实验室的两位科学家葛室的两位科学家葛宾尼和海宾尼和海罗雷尔发明了罗雷尔发明了扫扫描隧道显微镜描隧道显微镜（简称（简称STM ），它具有惊人的），它具有惊人的分辨本领（水平分辨率小于分辨本领（水平分辨率小于0.1nm,垂直分辨垂直分辨率小于率小于0.001nm).一般情况下，物体在固态下一般情况下，物体在固态下原子之间的距离小于原子之间的距离小于0.1到零点几个纳米之间。到零点几个纳米

3、之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原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。子、分子状态清晰可见。STM的基本原理的基本原理扫描隧道显微镜工作原理示意图 STM它的它的基本原理基本原理是基于量子隧道是基于量子隧道效应和扫描。它是用一个极细的针效应和扫描。它是用一个极细的针尖尖(针尖头部为单个原子针尖头部为单个原子)去接近样去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时品表面，当针尖和表面靠得很近时(1nm)，针尖头部原子和样品表，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子尖和样品之间加上一个偏压、电子便

4、会通过针尖和样品构成的势垒而便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息的信息 (表面形貌和表面电子态表面形貌和表面电子态)转转化为图像化为图像记录下来。记录下来。STM图像解释 STM图像反映的是样品表面的局域电子图像反映的是样品表面的局域电子结构和遂穿势垒的空间变化，而与表面原结构和遂穿势垒的空间变化，而与表面原子核的位置没有直接关系，不能将观测到子核的位置没有直接关系，不能将观测到的表面高低起伏简单的归结为原子的排布的

5、表面高低起伏简单的归结为原子的排布结构。另外，结构。另外，STM针尖也不只被动的对表针尖也不只被动的对表面成像，事实上，其电子结构对成像的结面成像，事实上，其电子结构对成像的结果有时会产生重要影响。果有时会产生重要影响。STM的应用的应用 STM最初是作为具有原子级空间分辨率最初是作为具有原子级空间分辨率的显微镜出现的，自的显微镜出现的，自1990年年IBM公司成功公司成功运用针尖操纵原子之后，运用针尖操纵原子之后， STM又作为原子、又作为原子、分子和纳米结构加工工具得到人们的广泛分子和纳米结构加工工具得到人们的广泛重视。重视。 借助于借助于STM的空间分辨能力，可以测量的空间分辨能力，可以

6、测量单个分子、单个纳米颗粒、单根纳米线和单个分子、单个纳米颗粒、单根纳米线和纳米管的电学、力学以及化学特性，从而纳米管的电学、力学以及化学特性，从而催生了单分子科学这个新的研究领域，也催生了单分子科学这个新的研究领域，也有力的促进了新一代纳米电子学器件和分有力的促进了新一代纳米电子学器件和分子电子学器件的研究工作。子电子学器件的研究工作。 STM的应用的应用 观察原子观察原子 用扫描隧道用扫描隧道显微镜观察到的显微镜观察到的硅表面和砷化镓硅表面和砷化镓单晶表面的原子单晶表面的原子排列图像。排列图像。科学家使用STM观测物质的纳米结构观察分子观察分子 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜不仅可以用来观不

7、仅可以用来观察单个原子，也察单个原子，也可观察单个分子。可观察单个分子。 图为有机分子酞图为有机分子酞菁铜的分子图像。菁铜的分子图像。 扫描隧道显微镜可以几秒钟采集一幅图，扫描隧道显微镜可以几秒钟采集一幅图，因此可用来观察、分子在表面的扩散、聚因此可用来观察、分子在表面的扩散、聚集。如果在一个区域连续采集若干幅图像，集。如果在一个区域连续采集若干幅图像，然后像放电影一样快速放映，可直接观察然后像放电影一样快速放映，可直接观察原子的运动原子的运动。 这种随时间连续观察的方式对于研究表面这种随时间连续观察的方式对于研究表面纳米结构的稳定性是十分有用的纳米结构的稳定性是十分有用的。 用扫描隧道显微镜

8、观察用扫描隧道显微镜观察Pt原子在原子在Pt（110）表面运动）表面运动的系列图像。将四幅图一起的系列图像。将四幅图一起比较，可发现有些原子的位比较，可发现有些原子的位置发生了改变置发生了改变.每幅图的尺每幅图的尺寸是寸是15nmx15nm,采集一幅采集一幅图的时间为图的时间为13秒，秒，T=61OC银纳米（小于银纳米（小于10nm)岛在银表面的消失，岛在银表面的消失，整个过程经历了整个过程经历了47分钟分钟银原子构成的凹陷纳米结构的稳定性，银原子构成的凹陷纳米结构的稳定性，a到到f经历了经历了45个小时。个小时。 中科院真空物理中科院真空物理实验室用实验室用STM在硅晶在硅晶表面刻写的表面刻

9、写的“100”字字样，背景中硅原子清样，背景中硅原子清晰可见。晰可见。对表面的纳米级加工对表面的纳米级加工 由于扫描隧道显微镜由于扫描隧道显微镜在工作时针尖与样品在工作时针尖与样品的间距较小，为纳米的间距较小，为纳米数量级，这样产生的数量级，这样产生的电流总是流至（或发电流总是流至（或发射至）样品表面直径射至）样品表面直径为纳米级大小的区域，为纳米级大小的区域，由它产生的主要影响由它产生的主要影响区面积更小。因此，区面积更小。因此，扫描隧道显微镜进行扫描隧道显微镜进行的表面加工是纳米加的表面加工是纳米加工。工。原子和分子的操纵与“量子幻影” 扫描隧道显微镜不仅可以对表面原子、分子成像，对表面进

10、行刻写，还可以操纵单个原子和分子。 这方面的开创性工作是IBM公司的科学家做出的。用扫描隧道显微用扫描隧道显微镜针尖移动原子镜针尖移动原子排成的汉字排成的汉字“原原子子” 纳米神算子纳米神算子 分子算盘分子算盘 科学家把碳科学家把碳60分子每十个分子每十个一组放在铜的表面组成了一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列着铜表面的原子台阶排列的的 。1991年，年，IBM公司的公司的“拼字拼字”科研小组用科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳针尖移动吸附

11、在金属表面的一氧化碳分子，拼成了一个大脑袋小人的形象。图分子，拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的间距约间距约0.5nm。这个。这个分子人分子人从头到脚只从头到脚只有有5nm高，堪称世界上最小的人形图案。高，堪称世界上最小的人形图案。 48个铁原子在铜个铁原子在铜表面排列成直径表面排列成直径为为14.2 纳米的圆纳米的圆形量子栅栏形量子栅栏量子幻影 将纳米技术带进电子世将纳米技术带进电子世界的核心部分。界的核心部分。 36个钴原子形成了圆形个钴原子形成了圆形

12、的量子围栏。当一个磁的量子围栏。当一个磁化了的钴原子被置于量化了的钴原子被置于量子围栏的两个焦点中的子围栏的两个焦点中的一个时，它的一些量子一个时，它的一些量子属性就属性就“物化物化”在另一在另一个焦点上了。尽管在另个焦点上了。尽管在另一个焦点上并不存在任一个焦点上并不存在任一原子的实体，然而看一原子的实体，然而看上去却又两个亮点，即上去却又两个亮点，即一个是原子像，一个是一个是原子像，一个是它的量子幻影。它的量子幻影。 如果钴原子被置于量如果钴原子被置于量子围栏焦点之外的任意子围栏焦点之外的任意一个地方，即不在焦点一个地方，即不在焦点上，上，“幻影幻影”效应随即效应随即消失。看上去只有一个消

13、失。看上去只有一个原子。原子。 这个实验结果的这个实验结果的重要意重要意义义在于直接观察到量子效应在于直接观察到量子效应将信息从一个原子传送到另将信息从一个原子传送到另一个原子，中间无需任何连一个原子，中间无需任何连接，而不可思议的是另一个接，而不可思议的是另一个原子不一定是真实的。这一原子不一定是真实的。这一现象在我们所处的宏观世界现象在我们所处的宏观世界中是不可能发生的。中是不可能发生的。STM的优点的优点1 1、它有原子量级的极高分辨率它有原子量级的极高分辨率. .STMSTM在平行和垂直于样在平行和垂直于样品表面方向可以分辨出单个原子，只是一般显微镜甚品表面方向可以分辨出单个原子，只是一般显微镜甚至电子显微镜难以达到的。至电子显微镜难以达到的。2 2、STMSTM可得到实时的，真实的样品表面的高分辨率图像可得到实时的，真实的样品表面的高分辨率图像。3 3、使用环境宽松。使用环境宽松。4 4、应用领域广泛。应用领域广泛。5 5、结构简单，成本低廉。结构简单，成本低廉。STM的局限性1、STM基于隧道电流的工作原理决定了基于隧道电流的工作原理决定了样品样品必须是导体或半导体必须是导体或半导体，对非导体必须