扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍.ppt

1、，扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)报告员：东魏民舒淑英，1 .STM的发明1982年，国际商业机械公司(IBM)苏黎世研究所的贝尼、劳雷尔和他的同事成功地开发了世界上第一个新的表面分析器组织扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)。它使人类第一次能够直接观察物质表面的单个原子及其排列状态，并研究其相关物理和化学特性。(约翰f肯尼迪，原子、原子、原子、原子、原子、原子、原子)因此，在表面物理学和化学、材料科学、生命科学、微电子技术等研究领域

2、具有重要意义和广泛的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。由于牙齿杰出业绩，本尼和劳雷尔于1986年获得了诺贝尔物理学奖。盖比尼，希罗雷尔，世界上第一次扫描也是显微镜，2。STM的原理、扫描隧道显微镜的工作原理基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学，如果粒子动能e低于前势路的高度V0，则不能超过牙齿势路。也就是说，透射系数等于0，粒子完全反弹。根据量子力学计算，一般来说，它不等于透射系数0，即能通过比粒子(图)更高能量的势基地的隧道效应。2 .STM的原理，隧道效应是由粒子波动引起的，只有在特定条件下，隧道效果才明显。透射系数T的计算方法如下：正如公式

3、所示，T与势挡墙宽度A、能量差(V0-E)和粒子质量M有非常敏感的关系。随着势壁垒厚度(宽度)的增加，T将指数衰减，因此在一般宏观实验中很少观察到粒子隧道穿透势基地的现象。2 .STM的原理，隧穿电流STM是原子极限的极细探针和样品的表面两个电极，样品和针尖的距离非常近(通常小于1 nm)时，在外加电场的作用下，电子通过两个电极之间的势壁垒流入另一个电极。形成隧穿电流，其大小：在真空中，大约1牙齿物质表面的平均功S是针端和样品之间的距离I是隧道电流，隧穿电流强度对针端和样品之间的距离S具有金志洙依赖性，如果距离减少0.1nm，隧道电流就会增加大约1数量级。因此，当探针扫描样本表面时，可以根据隧

4、穿电流的变化，获得样本表面小高低波动变化的信息。这就是扫描隧道显微镜的工作原理。3 .STM的操作模式，在恒流模式x-y方向扫描，在Z方向添加电子反馈系统，初始隧道电流为常量值，当样本表面凸起时，针脚端向后退。相反，当样本表面变凹时，反馈系统向前移动针端，控制隧道电流的常数。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹显示在记录纸或屏幕上，可以得到样品表面原子排列的图像。牙齿模式可用于观测地表形态起伏的样例，通过添加Z方向驱动的电压值，可以估算地表起伏高度的值。3 .STM的操作模式，固定高度模式在扫描过程中保持针端的高度不变，记录隧道电流的变化，获得样品的表面形态信息。牙齿图案通常用于测量表面起伏不大的

5、样品。3 .STM的仪器结构、STM由带减震系统的头部(包括探头和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。压力陶瓷或晶体，仪器的针尖需要在样品表面进行高精度扫描，因此用普通机器控制很难达到牙齿要求。目前压电陶瓷材料一般用作x-y-z扫描控制装置。3 .STM的仪器结构，所谓压电现象是指某种晶体在机械力变形时产生电场或在晶体中加入电场时，晶体产生物理变形的现象。许多晶体(如石英)具有压电特性，但现在广泛使用钛酸铅Pb(Ti，Zr)O3 (PZT)、钛酸钡等多晶陶瓷材料。压电陶瓷材料可以很容易地将1mV-1000V的电压信号转换为十分之一纳米几微米位移。压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架、

6、单管、十字架定制单管等。牙齿图为三角队形，由三个独立的长棱柱型压电陶瓷材料以徐璐直角的方向组合而成，针尖位于三脚架的顶端，在电场的作用下三条腿独立伸展收缩。通过使指针沿x-y-z三个方向移动，控制针端在采样曲面上的高精度扫描。4。STM app，STM“参照”了以前从未见过的东西，具有惊人的分辨率，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来说，物体处于固体状态的原子之间的距离在0点到0点几个纳米之间。威廉莎士比亚、原子、原子、原子、原子、原子、原子、原子)扫描隧道显微镜下，导电物质表面的原子、分子状态看来很明显。4 .STM的应用实现了单原子和单分子操作在STM针端和吸附在

7、材料表面的分子之间的吸引或拒绝作用，使吸附分子在材料表面向侧面移动。具体地说，可以分为“牵引”、“滑动”和“推进”三种茄子方法。通过一些外部作用，将吸附分子移动到针尖，然后移动到新位置，将分子沉积在材料表面。添加电场改变分子的形状，但没有化学键就能实现单分子操作。1990年，IBM的科学家们展示了在金属镍表面制造35个惰性气体原子“IBM”英文字母的惊人成果。世界上第一个STM原子操作，4 .STM应用节目，单分子化学反应已经成为现实单原子，单分子操作在化学上很有吸引力，潜在的应用“选择耦合化学”，可以进行分子内化学键的选择性加工。直观的例子是Park等完成的，将碘苯分子吸附到Cu单晶表面的原

8、子阶梯上，然后利用STM针端将碘原子从分子中分离出来，使用STM针端将两个苯活动组结合起来，形成一个联苯分子，完成了整个化学反应过程。如果在分子水平上构造电子学设备，则金属和半导体材料通常都具有正向导电性。也就是说，通过材料的电流随着应用的电压的增加而增加。但是，在单分子尺度上，杨紫能级和杨紫隧道的作用导致了新的物理现象负微分传导。中国科技大学科学家们仔细研究了基于C60分子的负微分传导现象。他们利用STM针尖“捡起”吸附在有机分子层表面的C60分子，然后将C60转移到另一个C60分子上。此时，通过在针端和基板上的C60分子之间添加电压和检测电流，他们得到了具有负微分传导效应的稳定杨紫隧道结构

9、。牙齿工作通过单分子操作构建了一种人工分子结构。这些分子一旦转换成产品，就可以广泛地用于快速开关、振动器、锁定频率电路等，大大提高电子元件集成的程度和速度。5 .STM的优缺点、优点是通过非常高的分辨率实时、实际样本表面的高分辨率图像使用环境缓解应用领域比大型仪器(如宽价钱电子显微镜)低缺点扫描隧道显微镜恒电流操作模式。有时，无法精确检测示例曲面微粒之间的某些凹槽，从而导致与牙齿相关分辨率下降。扫描隧道显微镜观察的样品必须具有一定的导电性，半导体的观察效果低于导体，绝缘体的情况不能直接观察。在范例表面上复盖传导层时，传导层的粒度和均匀性等问题会限制实际表面的影像解析度。扫描隧道显微镜操作条件有

10、限。例如，运行时防止振动，在潮湿的环境下钨探针容易生锈。，原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)，1 .AFM的发明，AFM是基于STM开发的一种显微镜，通过最小探针与样品表面之间相互作用力的大小检测来获取表面信息。1986年，IBM和geviny发明了原子力显微镜的新一代表面观测器。2 .利用AFM的原理，微悬臂梁的探针和测试的样品原子之间的作用力原子力显微镜放大，达到检测目的，具有原子级分辨率。原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察郑智薰导体，这可以弥补扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜的基本原理：对微弱的力非常敏感的微悬臂梁末端固定，另一端有小针末端牙齿，

11、在针末端和样品表面轻轻接触。通过使用光学检测法或隧道电流检测法测量微小悬臂梁，使其对应于扫描的每个点的位置变化，可以获得样品表面的形态信息。3 .AFM的操作模式、接触模式非接触模式敲击模式；AFM/Intermittent Contact Mode；接触、优点：可以生成稳定、高分辨率的图像。缺点：样品会发生明显的变形，软样品会发生破坏和破坏探针，严重影响AFM成像质量。3 .AFM的工作模式、非接触式、针尖和样品之间的相互作用力是范德沃德的魅力。在针端添加小振动信号后，通过保持振幅不变来控制针端和采样间距。优点：样品没有损坏的缺点：分辨率低于接触式。图像数据不稳定。4 .在AFM的操作模式、敲打、接触模式和非接触模式之间，在扫描期间微悬臂梁也振动，并且具有比非接触模式更大的振幅(5-100nm)，销端在振动时间内与样品间歇性接触。特征：分辨率与接触模式一样好。由于接触非常短，剪切力导致的样品的破坏几乎完全消失。4 .AFM的工作模式，凝结在样品