扫描探针显微镜简述.doc

题目 扫描探针显微镜简述——以扫描隧道显微镜为典型 姓名 学号 专业 所在学院 信电学院 电子邮箱 扫描探针显微镜简述------以扫描隧道显微镜为典型 摘要：扫描探针显微镜（SPM）是所有机械式地用探针在样本上扫描移动以探测样本影像的显微镜的统称。由于 由公式可见：只有当电子的能量大于其势能时电子才有一个不为零的动量，即电子不可能穿过高于其能量的势垒。 而在量子力学当中，电子由波函数的表示如下： 在势垒内，由薛定谔方程可解得： 在势垒外，可解得： 其中k为衰减常数。由此可见，电子可以穿过比其能量高的势垒。且能量不变时，电子出现的概率随着势垒的宽度以e的指数减少。 势垒内部，电子的波函数有衰减（势垒外部无衰减）。 具体可见下图： 由图可得，电子的波函数在E＞V(r)时有不为零的有效解。电子并未完全包含在导电的物体中，且在导体的表面约1nm内有分布。电子出现的概率随着远离导体表面的距离呈指数式衰减。 当金属探针接近样品表面且距离足够近时，两者的电子云出现重叠，在其间施加电压的话二者间的电子云会产生运动产生电流，这个电流即为隧穿电流。 A.John和Jr.Cowan利用量子学理论，推导出隧穿电流、探头与样品间距离及施加的电压满足如下关系式： 其中，I为隧穿电流，Vb为施加在探针头与样品间的电压，d为探针与样品的距离。A为一常数，A会随着外界环境的温度、压强等变化而有不同。根号内内容为探针与样品的平均功函数。 2.2原子力显微镜（AFM） AFM是利用在不导电的探针和样品之间存在的与样品表面起伏所对应的原子力来调制显示器的灰度。其设计思想为：将探针装在对力敏感的弹力臂端头上，探针靠近样品时，其针头上的原子与样品原子之间会产生各种不同的相互作用力。一般来说，间隙缩小时，会产生范德瓦尔斯吸力，引力增大。继续缩小间隙时，探针针头及样品表面的电子则会产生静电斥力。静电斥力的增长速度比范德瓦尔斯吸引力更高。此后，可以通过检测微悬臂的形变量来检测样品表面的原子排布信息。 探针尖与样品之间的斥力可表示为： 其中r=针尖头与样品之间的最小距离，A、B、m、n是常数。 三．扫描探针显微镜基本结构及工作模式——以STM为例 扫描探针显微镜的基本原理如上图： 扫描探针显微镜由机械部分及电子部分组成：机械部分由步进器、扫描头和显微镜腔组成；电子部分由控制采集电路和成像系统构成。步进器控制金属钨或铂铱合金探针到样品的距离，扫描头带动探针探测样品表面情况，探测到的信号由采集电路收集、放大并反馈到成像系统。 STM存在两种模式：恒流模式及恒高模式。处于恒流模式时，扫描头通过控制偏置电压来控制针头与样品表面的距离，从而保证针头与样品之间的偏置电流保持不变。而控制系统则会记下压变陶瓷的伸缩变化，从而获得样品的表面信息。而处于恒高模式时，显微镜的反馈系统不会运作，扫描头不会上下移动，所以此时STM会以更快的速度工作。恒高模式一般运作在样品表面可达到原子级别光滑时。 四．扫描探针显微镜的特点——以STM和AFM作比较 扫描探针显微镜是除了场离子显微镜和高分辨率透射电子显微镜之后的第三种以原子尺度观察物质结构的显微镜。以STM为例，其横向分辨率为0.1~0.2nm，纵向深度分辨率则为0.01nm，这样的分辨率可以清楚地观测到分布在样品表面的单个原子或分子。同时，SPM还可以在空气，其他气体或液体环境下进行观察研究。 扫描探针显微镜拥有原子分辨、原子搬运、纳米微加工等特点，但是由于细部各种扫描显微镜的工作原理不同，它们得到的结果所反映的样品表面信息是很不同的。STM测量的是样品表面的电子台分布信息，具有原子级别的分辨率但仍得不到样品的真结构。而原子显微镜探测的是原子之间的相互作用信息，因此可以得到样品表面原子分布的排列信息即样品的真实结构。但另一方面，AFM测不到可以和理论比较的电子态信息，因此二者各有短长。 五．扫描探针显微镜的局限及未来发展 扫描探针显微镜发展至今已大体成熟，但是仍有许多有待完善的地方。例如移动样品时，对样品进行扫描检测的面积并不大，样品在较大范围移动时测量的进度不是很高等。同时，SPM的发展时间并不是很长，因此缺少了相关的方法标准和操作规范。 1.探针针尖 探针针尖的工艺研究探针的针尖对于扫描探针显微镜的分辨率十分重要。好的针尖设计不仅能提高其分辨率，对于整体的显微镜使用寿命的提高也起着很重要的作用。 2.提高获