扫描隧道显微镜的原理及应用资料

1、扫描隧道(sudo)显微镜的原理和应用共二十七页 扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子(yunz)以及单一分子的反应成为可能。STM历史(lsh)意义共二十七页STM前的显微镜光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观察细胞.电子显微镜(德国科学家Ernst Ruska和Max Knoll发明),可以(ky)观察到比细胞更小的病毒.光学(gungxu)显微镜电子显微镜共二十七页光学(gungxu)显微镜和电子显微镜的缺陷光学显微镜不能观察(gunch)到纳米级的微观粒子.电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场

2、偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示.总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.共二十七页STM的发明(fmng)发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室.他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明STM一个(y )偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测物体表面的想法.结果成功了!共二十七页Gerd Bining ， Heinrich R

3、ohrer和Ernst Ruska荣获(rn hu)1986年的诺贝尔物理奖共二十七页一 STM工作(gngzu)原理 扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌(xn mo)的新型显微装置。隧道效应 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，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。共二十七页 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全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，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，

4、将它与被研究(ynji)物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图 2 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 I 的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p有关，其关系为 IUexp-A(ps)1/2 ，式中 A 为常量。如果s以0.1nm为单位，p以 eV为单位，则在真空条件下，A1，I Uexp-(ps)1/2 。共二十七页 由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减

5、小0.1nm，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，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构(jigu)相关的信息。共二十七页STM的结构(jigu)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 3 所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z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(cling)隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量(cling)软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。共二十七页STM的工作(gng

6、zu)方式共二十七页恒流模式(msh) 利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖(zhn jin)在样品表面扫描，即保持针尖(zhn jin)与样品表面之间的局域高度不变，针尖(zhn jin)随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛共二十七页恒高模式(msh) 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离 s 将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了 STM显微(xin wi

7、)图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。共二十七页二 STM的应用(yngyng)STM的应用优势:STM具有极高的分辨率STM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。STM的使用(shyng)环境宽松。STM的应用领域是宽广的STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。共二十七页STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：“看见”了以前所看不到的东西(dngx) STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验

8、共二十七页2实现了单原子和单分子(fnz)操纵 共二十七页单原子或单分子(fnz)操纵方式：1 利用STM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横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、推动”三种方式；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；3 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。共二十七页3单分子化学反应已经(y jing)成为现实 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。最近研究成果:康奈尔大学Lee和Ho用STM来控制单个的CO分子与Ag(110

9、)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。 Park等人将碘代苯分子吸附在 Cu单晶表面的原子台阶处，再利 用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用 STM针尖将两个苯活性基团(j tun)结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。共二十七页4在分子水平上构造(guzo)分子器件 “从上到下”方法到“从下到上”方法的变化。相关研究成果:C60单分子开关 利用STM针尖压迫C60单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因此可以(ky)把这个体系看成是一种“电力”开关。

10、负微分电导中国科技大学的科学家利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个 C60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，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构3 7nm长的DNA分子镊子 共二十七页三 在STM基础上发展(fzhn)起来的各种新型显微镜STM的缺点:有时分辨率差只能检测导体和部分半导体。工作条件(tiojin)受限制，如不能振动，探针材料可选择性低。 共二十七页1 原子力显微镜(AFM)Atomic Force Microscope共二十七页原理：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级

11、尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近(kojn)样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体共二十七页2 磁力(cl)显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM)Magnetic Force Microscope Electrostatic Force Microscope由于AFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取(ciq)抬起模式，即得到了MFM和EFM。共二十七页3弹道电子(dinz)发射显微镜（BE

12、EM）Ballistic Electron Emission Miroscope 按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时，由于探针的电势场高于样品，探针会向样品发射电子，这些隧道(sudo)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BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。共二十七页4 光子(gungz)扫描隧道显微镜（PSTM）Photonic Scanning Tunneling Miroscope PSTM的原现和工作方式在许多方面和STM相似(xin s)。STM利用电子隧道效应，而PSTM则是利用光子隧道效应。共二十七页课堂练习(2)在纳米科技的发展史中,下列年份发生(fshng)哪些重大事件. 1959年;1974年;1982年;1984年共二十七页内容摘要扫描隧道显微镜的原理和应用。扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。一个偶然的机会他