扫描遂道及原子力

扫描遂道及原子力第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三透射电子显微镜（TEM，1931，Ruska）场离子显微镜（FIM，1951，Muller）扫描隧道显微镜（STM，1981，Binnig&Rohrer）

1986年，Ruska，BinnigandRohrer分享诺贝尔物理奖目前达到原子分辨的三种仪器：第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三高分辨显微仪器主要特点仪器分辨率工作环境工作温度对样品破坏程度检测深度SEM横向：1nm纵向：低高真空/低真空室温/低温/高温小1μmTEM横向：0.1nm纵向：无高真空室温/低温/高温中<100nmFIM横向：0.2nm纵向：无超高真空30~80K大1个原子层STM横向：0.1nm纵向：0.01nm真空/大气/溶液室温/低温/高温无1~2原子层第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三章扫描探针显微分析扫描探针显微分析概述扫描隧道显微分析原子力显微分析扫描探针显微分析的应用第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

一、扫描探针显微镜定义

扫描探针显微镜(Scanningprobemicroscopy,SPM)是用微探针在样品表面描，通过针尖与样品表面原子的物理化学作用以探测样品的显微镜。

SPM完全失去了传统显微镜的概念，其图像分辨率主要取决于探针尖端的曲率半径（通常在纳米范围）。

§3-1、扫描探针显微分析概述第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

二、扫描探针显微镜发展

1981年，扫描隧道显微镜，第一种扫描探针显微镜第一次实时观察单个原子；1986年，原子力显微镜，弥补了STM只能观察导电材料的不足；1987，磁力显微镜、摩擦力显微镜1988，静电力显微镜1989，扫描电化学显微镜1991，扫描此振力显微镜1984~1992，扫描近场光学显微镜第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

三、扫描探针显微镜分类

STM扫描隧道显微镜SFM扫描力显微镜(AFM、EFM、MFM、CFM、LFM)NSOM扫描近场光学显微镜PSTM光子扫描隧道显微镜SCM电容扫描显微镜BEEM弹道电子发射显微镜SThM扫描热显微镜SVM扫描电压显微镜第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

四、扫描探针显微分析的特点

原子级高分辨率（横向0.1nm纵向0.01nm）可实时得到在实空间中表面的三维图像，用于材料表面结构研究可观察单个原子层的局部表面结构→如表面缺陷、表面重构、表面吸附等可在真空、大气、液体、高温、低温等不同环境下工作，无特别制样技术，适合生物样品和在不同实验条件下对样品的表面评价配合扫描隧道谱，可得到有关表面电子结构的信息可对单个原子和分子进行操纵（STM）→对表面进行纳米级微加工体积小、成本低

第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

扫描探针显微分析的特点局限性：

只能观测表面，不能探测深层信息；

探针质量随机性大，测试结果在很大程度上依赖于操作者；探针扫描范围小（~μm）难以对观察点精确定位。第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

一、概述

扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)，是以量子力学的隧道效应为基础，利用一个极细的尖针在样品表面扫描以获得样品表面形貌的显微方法。当针尖和样品表面靠得很近（<1nm），针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压（2mV~2V），电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成隧道电流，电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系。通过控制针尖与样品表面间距或隧道电流的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。§3-2、扫描隧道显微分析第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

1.自由电子模型经典自由电子论→将金属中的传导电子看作自由电子经典气体，服从麦克斯韦-波尔兹曼统计规律；近代自由电子论→将金属中的传导电子看作自由电子费米气体，服从费米-狄喇克统计规律。二、STM原理第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三T=0K（基态）T>0K10102kT-费米能级K-波尔兹曼常数T-绝对温度第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

2.隧道效应在金属的边界上，存在比εf

高的位垒Φ，在金属中的自由电子只有εf>Φ的电子才能从金属内逸出。另一方面，量子力学还认为自由电子还具有波动性，电子波向金属表面传播遇到表面位垒Φ时，部分反射，部分透射，这样在一定温度下，部分电子穿透金属表面位垒，形成表面电子云，即产生隧道效应。Φ第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

3.隧道电流

当两种金属靠得很近时（<1nm），两种金属的电子云将互相渗透。当加上适当的偏压时，即使未真正接触，也会有电流产生。该现象为隧道效应，该电流为隧道电流。在低温低压下，隧道电流I可近似表达为：

IT∝exp（-2kd）式中，IT-隧道电流，d-样品与针尖的距离，k-常数在典型条件下，k=10nm-1，可得每当d减小0.1nm，IT将增大一个数量级，说明隧道电流I对样品表面的微观起伏特别敏感。第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三∆d有0.1nm的变化；∆I将有数量级的变化隧道电流的变化曲线

d第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三4.STM工作原理

第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同，可将STM的工作原理分为：恒电流模式恒高度模式

三、STM工作方式第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

此时针尖在样品表面扫描时的运动轨迹，直接反映了样品表面态密度的分布，而样品的表面态密度与样品的高低起伏程度有关。恒电流模式是目前STM常用的工作模式，适合于观察表面起伏较大的样品。1.恒电流模式控制样品与针尖间的距离不变，则当针尖在样品表面扫描时，由于样品表面高低起伏，势必引起隧道电流变化。此时通过电子反馈系统，驱动针尖随样品的高度变化而做升降运动，以确保针尖与样品间距离保持不变。第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三2.恒高度模式

控制针尖在样品表面某一水平面上扫描，针尖的运动轨迹如图。则随着样品表面的高低起伏，隧道电流不断变化。通过记录隧道电流的变化，可得到样品表面的形貌图。第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三1.STM结构一般由STM探测单元、电子控制单元和计算机控制单元三部分组成。①STM探测单元由STM探头、减震装置、前置放大器组成。

STM探头由探针、样品台、三维扫描控制器、粗调装置组成。探针：钨、铂铱合金两种制备：电化学腐蚀

四、STM系统与实验方法第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三②电子线路探测单元反馈、驱动电路组成。③计算机控制单元仪器控制、数据采集、存储和图像显示与处理。

第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

２.STM制样表面光洁度和清洁度要求极高。①金属样品精密机加工→金相砂纸打磨→抛光（机械／电解）→离子轰击→高温退火。②半导体过程同上，特别注意防止氧化和污染。③陶瓷等不导电样品将样品制成薄膜，均匀覆盖在导电性良好的衬底上。

第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三１．金属表面研究２．材料组织与相结构、相变及扩散研究３．半导体材料表面结构研究

五、STM应用第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三中科院化学所科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三光栅三维STM图象第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

一、原理

原子力显微镜(AtomicForcemicroscope，AFM)，是使用一端固定，另一端装有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌和其它表面性质的方法。当针尖或样品扫描时，同距离有关的针尖与样品间的相互作用力就会引起微悬臂发生变形，用一束激光照射到微悬臂的背面，微悬臂将激光束反射到一个光电检测器。检测器不同相限接收到激光的强度差值同微悬臂的变形量会形成一定的比例关系。通过检测电压对样品扫描位置的变化，就可以得到样品表面的形貌。§3-３、原子力显微分析第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三微悬臂弹力的大小：

F=k·ΔZK-弹性系数

ΔZ-位移由于F很小，k和ΔZ都必须很小。需要制作k和M都很小的微悬臂第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

二、AFM结构1.力检测部分2.位置检测部分3.反馈系统第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期三两种类型的探针：氮硅化合物（左）和晶体硅（右）1.力检测部分——探针第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

加宽效应：第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

三、AFM工作方式1.接触模式（contactAFMcontactAFM）针尖与样品间作用力原子间的斥力10-8～10-11Ｎ2.非接触式(non--contactMode)

针尖与样品间作用力是很弱的长程力—范德华吸引力，

10-12Ｎ3.轻敲模式(TappingMode)第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期三第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期三

探针与样品表面紧密接触并在表面上滑动优点：扫描速度快，分辨率高，可得到原子级分辨率图像，适用于表面垂直变化大的样品缺点：针尖易受损，样品易变形，图像扭曲

1.接触模式第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期三探针针尖始终不与样品表面接触优点：对样品完全没有损伤，灵敏度高缺点：分辨率低，不适用于在液体中成像，扫描速度慢2.非接触模式第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期三类似于非接触模式,但微悬臂以共振频率振荡的振幅较大,约100nm,针尖在振荡的底部均与样品轻轻接触优点：保护针尖和