扫描探针显微技术

1、扫描探针显微技术1扫描探针显微技术重要原因之一：人类第一次能直观看到原子、分子并能操控其排列。归功于STM的发明，198220世纪80年代以来，纳米科学、生命科学、材料科学突飞猛进，为什么？费曼(R.P.Feynman)1959年：“据我所知，物理学原理并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何规律，从原则讲它是能够做到的”2扫描探针显微技术什么是STM？Scanning Tunnel Microscope，扫描隧道显微镜STM能干什么？空间高分辨率: 横向0.1nm，纵向0.01nm，直接观察物质表面原子结构，进入微观世界。STM怎么工作的？量子隧道效应 + 精密机电

2、控制 + 微弱信号处理3一. 扫描隧道显微镜(STM)扫描隧道显微镜(STM)4In Touch with AtomsBinnig and Rohrer, Review of Modern Physics 71, S324 (1999)一. 扫描隧道显微镜(STM)5公认为20世纪80年代十大科技成就之一。发明者宾尼(G.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)在1986年荣获诺贝尔物理学奖。一. 扫描隧道显微镜(STM)61. STM中的物理原理：量子隧道效应 用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)接近样品表面；当针尖和表面靠得很近时(1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭（

3、波函数重叠）；在针尖和样品之间加上偏压，电子便会穿过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流；通过控制针尖与样品表面的间距，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息(表面形貌和表面电子态)记录下来。一. 扫描隧道显微镜(STM)7量子隧道效应量子经典一. 扫描隧道显微镜(STM)8应用：STM，隧穿二极管，IC集成度的物理下限透射波入射波+反射波U0U(x)0ax一. 扫描隧道显微镜(STM)隧道效应是波动性的结果：9自由电子探针 量子理论：E U 狮子也可能穿过势垒到左方实际：表面电流表面结构势垒UEEU经典观点：狮子的能量必须满足才能越过高墙导体表面 一. 扫描隧道显微镜(STM)10

4、一. 扫描隧道显微镜(STM)2. STM工作原理：11一. 扫描隧道显微镜(STM)12一. 扫描隧道显微镜(STM)133. 怎样拾取隧道电流？= 为什么1982年才发明？一. 扫描隧道显微镜(STM)14一. 扫描隧道显微镜(STM)具有两维扫描功能的电流表隧道电流小(pA-nA)，隧穿电阻大(M-G)探针-样品距离小1nm良好的机械振动和声音隔绝系统热漂移小电子学噪音小 精密仪器设计和电子学发展的结晶15一. 扫描隧道显微镜(STM)不用光杠杆行不行？ConstrictionPiezo-resistorSelf-sensitive Cantilever (Constriction)16

5、一. 扫描隧道显微镜(STM)探针针尖要有多尖？17AtunnelingcurrenttipsampleI e2d= A +) 隧道电流分辨率(nm) 0.1 eff0.05nm10AA3一. 扫描隧道显微镜(STM)18二. STM与SPM二. STM与SPMSPM (Scanning Probe Microscope)=扫描探针显微镜发展趋势：SPM仪器本身的发展极端条件(C60, nanotube, CO)与其它仪器的联合多功能化 探针功能化分辨率提高19二. STM与SPMSTM家族：Inelastic Electron Tunneling Spectroscopy （单分子隧道谱）S

6、pin-polarized STM （自旋极化STM）Fast time-lapse STM （快速扫描STM）Low temperature STM （极低温STM）Strong magnetic Field STM （强磁场STM）High-pressure STM （高温高压STM）Electro-chemical STM （电化学STM）Multi-probe STM （多探针STM）20二. STM与SPM1. 增加微小力学量的测量种类原子力显微镜，AFM (Atomic Force Microscopy )范德瓦尔斯力静电力显微镜，EFM (Electrostatic Force

7、Microscopy )静电力磁力显微镜，MFM (Magnetic Force Microscopy )磁力摩擦力显微镜，LFM (Lateral Fiction Force Microscopy )扫描探针显微镜（SPM）家族：21二. STM与SPM2. 拓展微小物理量的测量范围扫描近场光学显微镜SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) 扫描近场声学显微镜SNAM (Scanning Near-field Acoustical Microscopy) 热电势显微镜STHM (Scanning Thermal Microscopy )光子扫

8、描隧道显微镜PSTM (Photo Scanning Tunneling Microscopy )，扫描探针显微镜（SPM）家族：22二. STM与SPM 中科院早期研制的CSTM-9000型扫描隧道显微镜现代小型AFM探测头部分23三. 微观世界也精彩三. 微观世界也精彩 硅表面77重构图象解决许多理论和实验上的疑难问题24移动铁原子，观察到电子波QUANTUM CORRAL (量子栅拦)25QUANTUM CORRAL (量子栅拦)Courtesy: Dr. Eigler (IBM Almaden)26QUANTUM MIRAGE (量子幻影) Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)Nature, Feb. 2000 27SNOM图像： 玻璃表面单层聚苯乙烯纳米球（200nm）Samples courtesy of Dr. Paul Markowicz, State University of New York at Buffalo,USA三. 微