扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜郭莉15150730231扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy2•Introduction•QuantumtunnelinginSTM•STMInstrumentation•STMOperationmodes•STMExamples•Manipulationofindividualatoms概况1、STM的产生背景•自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微镜(FIM)等。但任何一种技术在应用中都会存在一定的局限性。•1981年，IBM(国际商业机器)公司苏黎世实验室的葛·宾尼(GerdBinnig)博士和海·罗雷尔(HeinrichRohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。•1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。葛·宾尼(GerdBinning)海·罗雷尔(HeinrichRohrer)32、STM出现的意义概况•目前具有原子分辨率的科学仪器主要有三种：透射电子显微镜(TEM)，场离子显微镜(FIM)和STM。•TEM研究的是物体的体性质；FIM只能研究可制备程极细针尖的固体样品表面原子，因此可研究的样品种类有限。•STM利用电子在针尖和样品间的隧道效应产生的隧道电流，达到了原子分辨率。•STM的出现使人类第一次能够在实空间实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。如，1983年G.Binning等人首次给出了Si(111)7x7重构表面的实空间原子像。•STM在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，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。4•具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。•可实时地得到在实空间中表面的三维图象。•可观察单个原子层的局部表面结构。概况3、STM的优点AtomicResolutiononPt(100)5•具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。•可实时地得到在实空间中表面的三维图象。•可观察单个原子层的局部表面结构。•可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤。概况3、STM的优点UHV6Air•具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。•可实时地得到在实空间中表面的三维图象。•可观察单个原子层的局部表面结构。•可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤。•通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。概况3、STM的优点7•在大气里，样品表面易存在物理吸附和化学吸附，STM很难得到稳定的真实的样品表面结构图像，只能对包括高定向热解石墨(HOPG)等少数几种样品成原子像。•在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。•STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。•宾尼等人1986年研制作成功的原子力显微镜(AtomicForceMicroscope，AFM)弥补了STM这方面的不足。后来又陆续发展了一系列的扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope，SPM)，如磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等。8概况4、STM本身存在着的局限性扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy10•Introduction•QuantumtunnelinginSTM•STMInstrumentation•STMOperationmodes•STMExamples•ManipulationofindividualatomsSTM的基本原理10STM的基本原理对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度U0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。1、隧穿效应(TunnelingEffect)STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应。STM中最重要的概念隧穿电流(Tunnelingcurrent)可通过一维模型简单说明。11STM的基本原理1、隧穿效应(TunnelingEffect)STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应。STM中最重要的概念隧穿电流(Tunnelingcurrent)可通过一维模型简单说明。由式中可见，透射系数T与势垒宽度L、能量差（U0-E）有着很敏感的依赖关系，随着L的增加，T将指数衰减。根据量子力学的波动理论，电子穿过势垒的透射系数012U2T16E(U0E)exp(2kL)15STM的基本原理2、隧穿电流(TunnelingCurrent)STM是将原子线度的极细探针和样品的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧穿电流，其大小为：式中，V是针尖和样品之间的偏置电压，z为样品与针尖的距离，Φ是平均功函数。由前式可知，隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧穿电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息。STM的基本原理2、隧穿电流(TunnelingCurrent)•在一维模型中，隧穿电流j是偏压V、样品表面电子局域态密度、样品逸出功和针尖与样品间距z的函数。当针尖-样品间偏压一定时，针尖-样品间距、样品逸出功和样品表面电子局域态密度任一发生变化时，隧穿电流都会发生变化。•因此，STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构的综合效应的结果。•另外，在STM成像过程中，针尖起到了重要作用。STM图像原子分辨率的解释必须考虑针尖的电子态以及针尖-样品间的相互作用。14扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy15•Introduction•QuantumtunnelinginSTM•STMInstrumentation•STMOperationmodes•STMExamples•ManipulationofindividualatomsSTM的仪器构造STMInstrumentation1623STM的仪器构造STMInstrumentationSTM由具有减振系统的STM头部(含探针和样品台)、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成。•Tip•Scanner•Samplepositioner•Vibrationisolation•ControlelectronicsPre-amplifierFeedbackScancontrol•Computerandsoftware超高真空变温STM装置STM的仪器构造STM主要包括两部分：机械部分：STM针尖、压电扫描器、振动隔离器、粗调定位器控制系统：STM电路、计算机接口、显示设备、控制软件对于超高真空STM还包括真空系统、样品传送设备和变温系统24STM的仪器构造STM工作过程•在STM操作中，样品在扫描的时固定不动，针尖由特制针尖架装在单管扫描器上并随之运动，扫描器X，Y，Z三个方向的扫描范围可达15m15m15m。•压电扫描器装在三维压电惯性步进器上，遥控惯性步进器实现针尖粗调移动，整个过程由CCD相机和显示器监控，X，Y，Z三个方向的移动范围可达10mm10mm10mm。•振动隔离通过悬挂弹簧和涡流阻尼器实现。25样品台(SampleStage)STM的仪器构造通过铜线与样品台相连，利用热传导降低样品温度20STM的仪器构造21电子学控制系统STM要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy40•Introduction•QuantumtunnelinginSTM•STMInstrumentation•STMOperationmodes•STMExamples•ManipulationofindividualatomsSTM的工作模式STMOperationModes•恒高模式是在扫描过程中切断反馈回路保持针尖的高度不变，记录隧道电流的大小值。•针尖的x-y方向仍起着扫描的作用，而z方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面的相对高度会随时发生变化，因而隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。•特点是：扫描速度快，能减小噪音和热漂移的影响，但样品表面的其幅度应小于1nm。23STM的工作模式STMOperationModes•恒流模式是通过反馈回路在偏压不变的情况下保持隧道电流恒定，记录z向压电扫描器的伸缩情况，得到一个等电流面。•利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x-y方向扫描，而z方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，这样探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。现代的STM一般不再严格区分恒流模式和恒高模式，而是通过调节反馈增益的大小来改变STM针尖的纵向运动的灵敏度，以取得满意的STM图像。24STM的工作模式25STM的工作模式26影响仪器分辨率和图像质量的因素主要有以下几点：•对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率、针尖的尖端很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学纯度高；•压电陶瓷的精度要足够高；•减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统的综合使用；•电子学控制系统的采集和反馈速度和质量；•样品的导电性对图像也有一定的影响。•各种参数的选择要合适。STM的实验步骤27•准备针尖和样品•手动逼近样品和针尖，使之距离约为1mm；切忌使针尖与样品发生相撞；•设置参数：隧道电流；针尖偏压；软件控制马达，使针尖自动逼近进入隧道区；•根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700～900nm，石墨一般取5～15nm)；•根据不同的模式设置不同的扫描速度(恒流模式一般要较慢扫描，恒高模式可较快扫描)，然后开始扫描。•得到扫描图像后，可进行一定的图像处理。•实验结束后，一定要先使用软件控制马达自动退达1000步以上。•关闭系统扫描隧道显微技术ScanningTunnelingMicroscopy28•Introduction•QuantumtunnelinginSTM•STMInstrumentation•STMOperationmodes•STMExamples•ManipulationofindividualatomsSTM的应用29•金属、半导体表面的原子重构结构•在超高真空中沉积样品到基底表面，可以研究样品在基底的成核、生长以及可控的样品表面吸附过程。•在不同温度下实现对样品表面成像，研究样品表面原子结构和电子结构变化过程，可获得样品原子在表面的迁徙和表面重构形成的动力学过程。•通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操纵或纳米加工构造所需要的结构。STM的应用金膜表面的原子团簇图像扫描•STM图像反映的是表面局域态密度的形貌，这些形貌正好反映了表面势垒的形状，表面势垒的形状与表面原子位置密切相关。因此，STM图像直接反映了金属表面的几何结