电镜的基本原理(3)AFM 和 STM.ppt

第一章 电镜的基本原理和构造 第三节 扫描隧道显微镜与原子力显微镜 一、扫描隧道显微镜（STM） 80年代初，G.Binnig和H.Rohrer等人发明了扫描隧道显微镜（STM），使原位观察固体表面的单个原子的排列状况成为可能。 扫描隧道电子显微镜的原理： 电子隧道效应 （a） 隧道效应（两金属靠得很近，Ψ T1与Ψ T2是贯穿隧道的电子波） STM的工作原理 扫描隧道显微镜以原子尺度的极细探针(针尖)及样品(表面)作为电极，当针尖与样品表面非常接近(约1nm)时，在偏压作用下产生隧道电流。隧道电流(强度)随针尖与样品间距(s)成指数规律变化。 STM工作原理图 两种工作模式 恒电流工作模式 恒高度工作模式 恒电流工作模式 沿表面扫描过程中，反馈电路接受由于样品表面原子排列变化（样品表面起伏的变化）引起的电压信号变化并驱动压电陶瓷使探针沿z方向上下移动，以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变。 恒高度工作模式 沿扫描过程中，探针保持在同一高度，随样品表面起伏的变化（针尖与样品表面间距变化），隧道电流不断的变化。 扫描隧道谱（STS） 定义：在表面给定和固体的探针样品的间距下，使样品的偏压（V）从负几V~正几V连续扫描,同时测量隧道电流，从而获得隧道电流随偏压的变化（I-V或DI/DV-V曲线）,称为扫描隧道谱（STS）。 STM的特点 具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向（横向和纵向）的分辨率为≤0.1nm和≤0.01nm，可以分辨出单个原子。 可实时得到样品表面三维（结构）图像。 可在真空、大气、常温、高温下工作，甚至可将样品浸在水或其他溶液中。而且不破坏样品。 STM的运用 STM最初主要用于金属、半导体和超导体等的表面几何结构与电子结构及表面形貌分析，还可以直接观测到样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷等。 超真空STM可以原位观察、分析表面吸附和催化，研究表面外延生长和界面状态等。超高温真空STM还可以观察分析相变及上述各种现象的动力学过程。 STM的局限性 不能探测样品的深层信息，无法直接观测绝缘体，探针扫描范围小，探针质量依赖于操作者的经验等。 P47多模式扫描探针显微镜? 主要性能指标： 样品尺寸：40?40毫米,厚度10毫米 扫描器范围：14?14?1.4微米? 50?50?3微米 最小步进值：0.02埃????? 0.07埃?? X,Y方向D/A:22 bits Z方向分辨率：0.25埃 数据采集通道数：4 隧道电流测量范围：30pA-50nA(标准STM探头) ?????????????????????????????? 3pA-5nA(低电流STM探头） 最大扫描点数：1000?1000 减震系统：悬挂减震 样品定位：手动螺旋测微器（选件） 定位精度：5微米 定位范围：5?5毫米 光学显微镜：双筒长焦距光学显微镜（选件） 放大倍率:8.4x-100x(使用14倍目镜) 彩色CCD摄象机:470线，43x-470x(选件） 彩色监视器:500线,14“(选件） 原子艺术 扫描隧道显微镜下的美丽图像 利用STM操纵Fe原子与CO分子生成Fe(CO)x的过程 二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM） 原子力显微镜同样具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了STM的不足。 原子力显微镜(AFM)的两种工作模式：接触式（Contact)和轻敲式(Tapping) ??? __ AFM 原子力显微镜原理 AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息．如图1所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像． 图1 AFM原理图 图1、原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 ?在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：??????? 原子力显微镜的成像模式 接触式－利用原子斥力的变化而产生表面轮廓。 在生物医学研究中，最常用的一种模式是敲击模式（tapping AFM）： 在敲击模式中，一种恒定的驱使力使探针悬臂以一定的频率振动。当针尖刚接触样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。在扫描过程中，反馈回路维持悬臂振幅在这一数值恒定，也就是说作用在样品上的力恒定，通过记录压电陶瓷管的移动得到样品表面形貌图。 敲击模式的优