扫描隧道显微镜的原理及应用学习教案

1、会计学1扫描隧道扫描隧道(sudo)显微镜的原理及应用显微镜的原理及应用第一页，共26页。STM历史历史(lsh)意义意义第1页/共26页第二页，共26页。光学光学(gungxu)显微镜显微镜电子显微镜电子显微镜第2页/共26页第三页，共26页。第3页/共26页第四页，共26页。第4页/共26页第五页，共26页。第5页/共26页第六页，共26页。隧道隧道(sudo)效应效应 根据量子力学原理，由于粒子存根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧过势垒出现在另一边的几率不为

2、零，这种现象称为隧道道(sudo)效应。效应。第6页/共26页第七页，共26页。 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全(wnqun)局限于金属表面之内，电子局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样称为样品品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近的表面作为两个

3、电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离距离1nm)时，两者的电子云略有时，两者的电子云略有重叠，如图重叠，如图 2 所示。若在两极间加上电压所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流。隧道电流 I 的的大小与针尖和样品间的距离大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度以及样品表面平均势垒的高度p有关，其关系为有关，其关系为 IUexp-A(ps)1/2 ，式中，式中 A 为常量

4、。如果为常量。如果s以以0.1nm为单位，为单位，p以以 eV为单位，则在真空条件下，为单位，则在真空条件下，A1，I Uexp-(ps)1/2 。第7页/共26页第八页，共26页。 由此可见，隧道电流由此可见，隧道电流 I 对针尖与样对针尖与样品表面之间的距离品表面之间的距离 s 极为敏感，如果极为敏感，如果 s 减小减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子，即使其表面只有原子(yunz)尺度的尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机

5、，在屏幕。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信上即显示出与样品表面结构相关的信息。息。第8页/共26页第九页，共26页。常用的常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图 3 所示，所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流隧道电流 I ，并以此反馈，并以此反馈(fnku)控制施加在控制施加在Lz上的电压上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据；再利用计

6、算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。第9页/共26页第十页，共26页。第10页/共26页第十一页，共26页。第11页/共26页第十二页，共26页。第12页/共26页第十三页，共26页。第13页/共26页第十四页，共26页。验验第14页/共26页第十五页，共26页。第15页/共26页第十六页，共26页。单原子或单分子操纵方式：单原子或单分子操纵方式：1 利用利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为横向移

7、动，具体又可分为“牵引牵引”、“滑动滑动”、推动、推动”三种方式；三种方式；通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；3 通过外加通过外加(wiji)一电场，改变分子的形状，一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。但却不破坏它的化学键。第16页/共26页第十七页，共26页。可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。最近研究成果最近研究

8、成果:康奈尔大学康奈尔大学Lee和和Ho用用STM来控制单个的来控制单个的CO分子与分子与Ag(110)表面的单个表面的单个Fe原子在原子在13K的温度下成键，形成的温度下成键，形成FeCO和和Fe(CO)2分子。分子。 Park等人将碘代苯分子吸附在等人将碘代苯分子吸附在 Cu单晶表面的原子台阶处单晶表面的原子台阶处，再利，再利 用用STM针尖针尖(zhn jin)将碘原子从分子中剥离将碘原子从分子中剥离出来，然后用出来，然后用 STM针尖针尖(zhn jin)将两个苯活性基团结将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反

9、应过程。应过程。第17页/共26页第十八页，共26页。“从上到下从上到下”方法到方法到“从下到上从下到上”方法的变化。方法的变化。相关研究成果相关研究成果:C60单分子开关单分子开关 利用利用STM针尖压迫针尖压迫C60单分子，使单分子，使C60分子变形，从而分子变形，从而通过改变其内部的结构而使其电导增加通过改变其内部的结构而使其电导增加(zngji)了两个了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因此可以把这个体系看成是一种此可以把这个体系看成是一种“电力电力”开关。开关。负微分电导负微分电导中国科技大学的科学家利用中国科技大学的科

10、学家利用STM针尖将吸附在有机分子层针尖将吸附在有机分子层表面的表面的C60分子分子“捡起捡起”，然后再把粘有，然后再把粘有C60分子的针尖分子的针尖移到另一个移到另一个 C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的分子上方。这时，在针尖与衬底上的 C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构具有负微分电导效应的量子隧穿结构3 7nm长的长的DNA分子镊子分子镊子 第18页/共26页第十九页，共26页。第19页/共26页第二十页，共26页。第20页/共26页第二十一页，共26页。第21页/共26页第二十二页，共26页。

11、第22页/共26页第二十三页，共26页。按照按照STM的工作原理当探针的工作原理当探针(tn zhn)与样品的距离非常近时，由于探针与样品的距离非常近时，由于探针(tn zhn)的电势场高于样品，的电势场高于样品，探针探针(tn zhn)会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了许多有关界面的信息，因此许多有关界面的信息，因此BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。为