材料电子及中子分析技术 课件10知识点4 STM

STM材料研究方法

扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）1.STM的基本原理图9-25隧道效应示意图图9-26STM结构原理图隧道电流：注意：1）隧道电流与绝缘体厚度呈指数关系，对厚度十分敏感，故其精度高。2）待测试样为导体、针尖为金丝、铂丝、钨丝等，针尖长度不超0.3nm,理想为1个原子。扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）2.STM的工作模式（a）恒流式（b）恒高式图9-27STM的工作模式扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）1）恒流模式让针尖安置在控制针尖移动的压电管上，由反馈电路自动调节压电管中的电压，使针尖在扫描过程中随着样品表面的高低上下移动，并保持针尖与试样表面原子间的距离不变，即保持隧道电流的大小不变（恒流），通过记录压电管上的电压信号即可获得样品表面的原子结构信息。该模式测量精度高，能较好地反映样品表面的真实形貌，但比较费时。2）恒高式即针尖在扫描过程中保持高度不变，这样针尖与样品表面原子间的距离在改变，因而隧道电流随之发生变化，通过记录隧道电流的信号即可获得样品表面的原子结构信息。恒高工作模式扫描效率高，但要求试样表面相对平滑，因为隧道效应只是在绝缘体厚度极薄的条件下才能发生，当绝缘体厚度过大时，不会发生隧道效应，也无隧道电流，因此当样品表面起伏大于1nm时，就不能采用该模式工作了。扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）3.STM的特点STM与前述的表面分析仪相比具有以下优点：1）在平行和垂直于样品表面方向上的分辩率分别达到0.1nm和0.01nm，而原子间距为0.1nm量级，故可观察原子形貌，分辨出单个原子，克服了SEM、TEM的分辨率受衍射效应的限制，因而STM具有原子级的高分辨率。2）可实时观察表面原子的三维结构像，用于表面结构研究，如表面原子扩散运动的动态观察等。3）可观察表面单个原子层的局部结构，如表面缺陷、表面吸附、表面重构等。4）工作环境要求不高，可在真空、大气或常温下工作。5）一般无需特别制备样品，且对样品无损伤。STM虽具有以上优点，但也存在以下不足：1）恒流工作时，对样品表面微粒间的某些沟槽不能准确探测，分辨率也不高。2）样品须是导体或半导体。对不良导体虽然可以在其表面涂敷导电层，但涂层的粒度及其均匀性会直接影响图像对真实表面的分辨率，故对不良导体的表面成像宜采用其他手段，如原子力显微镜等进行观察。扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）4.STM的应用举例图9-28Mo(110)面生长Ni膜过程中的STM图(a)-清洁表面(b)-1.5ML(c)-3.9ML(d)-11.6ML例1．Mo（110）表面Ni膜的生长研究扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）例2．氧化膜的形成研究图9-29NiAl(16141)面氧化膜形成约20％时的STM照片A-总貌（200×200nm2）B-膜核(45×45nm2)C-膜簇（45×45nm2）扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）如图9-30即为MoS2单原子层生长过程的STM照片及其对应的模型图，从该图可以清晰地看到MoS2单层纳米晶体膜的生长过程，即Mo原子和S原子均通过扩散运动以三角形的堆积方式逐渐长大成膜。扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）例3．表面形貌观察

(a)二维(b)三维图9-31铂铱合金丝表面的STM扫描图扫描隧道电镜（ScanningTunnellingMicroscopy,STM）例4．原子、分子组装

（a）原子汉字