扫描隧道显微镜分析原理及方法

1、扫描隧道显微镜分析原理及方法 Scanning Tunneling Microscope STMn概述n优点与应用n原理nSTM仪器n局限性与发展 概述：1933年，德国和等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如：TEM、SEM、FEM、FIM、LEED、AES等。1982.年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和 Heinrich Rohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器STM。它的出现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理、化学性质，在表面科学、材料科

2、学、生命科学等领域的研究中有着重广阔的前景，被国际科学界认为八十年代世界十大科技成就之一。优点与应用优点与应用：n具有原子级高分辨率。具有原子级高分辨率。表面原子结构的研究：表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等n可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实时观测性可用与表面扩散等动态过程的研究n工作环境范围广。工作环境范围广。真空、大气、常温。水或其它溶液。因此特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，如对多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面的监测等n配合配合STS 可以得到有关表面电子结构的信息。可以得到有关表面电子结构

3、的信息。表面态的研究：表面电子态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒变化和能隙结构等红细胞三维图像DNA双螺旋结构细胞膜的表面结构细胞生长与、的各项性能指标比较分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度检测深度原子级（垂直。nm）（横向。nm）实环境、大气、溶液、真空室温或低温无原子层点分辨（。）晶格分辨（。）高真空室温小高真空室温小（倍时）（倍时）原子级超高真空有原子厚度Atunnelingcurrent扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 (1981)tipsampleI e2d= A +) 隧道电流隧道电流分辨率分辨率(nm) 0.1 eff0.05nm10AA3原理：)exp(21SAIVbS

4、TM仪器：n电子反馈系统控制隧道电流n计算机控制针尖扫描n针尖将随样品表面起伏而起伏n得到表面的第三维信息STM仪器：n振动隔绝系统n合成橡胶缓冲垫n弹簧悬挂n磁性涡流阻尼n机械设计n压电陶瓷n隧道针尖n计算机控制系统n硬件n软件机械设计：n在方向的伸缩范围至少为，精度约为。n在和方向的扫描范围至少为，精度应在左右。n在方向机械调节的精度应高于。 ，其精度至少应在压电陶瓷驱动器方向长度变化范围内，这个变化范围由驱动点压和压电陶瓷材料的压电系数所决定。机械调节的范围应在以上n能在较大的范围内选择感兴趣的区域扫描n针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定性，即具有较高的机械振动频率压电陶瓷：压电现

5、象)/(31tlVldVtd33隧道针尖：n隧道针尖结构的影响n制备针尖的方法：电化学腐蚀法、机械成型法 STM仪器：隧道针尖结构的影响Schematics and Image Profiles of Spheres Scanned with a Sharp (left) and Dull (right) ProbeIn Touch with Atoms The accumulation of debris on the end of the tip can also dull the tip and result in image distortion, as shown below.Sch

6、ematic and Image Profile of Trenches Scanned with a Dirty TipDull or Dirty TipIf the tip becomes worn or if debris attaches itself to the end of the tip, the features in the image may all have the same shape. What is really being imaged is the worn shape of the tip or the shape of the debris, not th

7、e morphology of the surface features.Double or Multiple TipsDouble or multiple tip images are formed with a tip with two or more end points which contact the sample while imaging. The above images are examplesLoose debris on the sample surface can cause loss of image resolution and can produce strea

8、king in the image. The image on the left is an example of the loss of resolution due to the build up of contamination on the tip when scanning from bottom-to-top. The image on the right is an example of skips and streaking caused by loose debris on the sample surface. 计算机控制系统：硬件计算机控制系统：软件n扫描n表面扫描n扫描

9、隧道谱n功函数谱n定标n定标视图n图象处理n滤波n对比度拉伸n三维表面显示n纳米加工HL-II 型扫描探针显微镜GdC82- Peapod 具有空间分辨的局域电子态具有空间分辨的局域电子态00.20.4-0.4-0.2Sample Bias (V)dI/dV (A.U.)00.20.4-0.4-0.2Sample Bias (V)dI/dV (A.U.)0.3 eV0.5 eVKhang et al., Korea Univ. HL-II 型扫描探针显微镜HL-II 型扫描探针显微镜局限性与发展:局限n不能准确探测微粒间的某些沟槽n要求样品必须是导体、半导体局限性与发展:发展nAFM (Ato

10、mic Force Microscope)nLFM (Laser Force Microscope)nMFM (Magnetic Force Microscope)nEFM (Electrostatic Force Microscope)nBEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope)nSICM (Scanning Ion-Conductance Microscope)nSTP (Scanning Tunneling Potentiometry)nPSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope)nSNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)AFMHL-II 型扫描探针显微镜演示文稿3.ppt我国我国扫描探针显微镜扫描探针显微镜开发和生产开发和生产 1987年依托在中国科学院北京科仪中心的中国科学院北京电子显微镜实验室北京电子显微镜实验室和化学所研制完成了我国第一台扫描隧道显微镜第一台扫描隧道显微镜。此后，化学所，北京大学,上海原子核研究所等十余个单位也制成了各种STM；