现代分析-2010-7(SPM).ppt

问题：达到原子级分辨率的显微仪器有哪些？ 目前达到原子分辨的三种仪器： 透射电子显微镜（TEM，1931，Ruska） 场离子显微镜（FIM，1951，Muller） 扫描隧道显微镜（STM，1981，Binnig Rohrer） 高分辨显微仪器主要特点 第六章 扫描探针显微分析 扫描探针显微分析概述 扫描隧道显微分析 原子力显微分析 扫描探针显微分析的应用 　 一、扫描探针显微镜定义 　　 扫描探针显微镜(Scanning probe microscopy, SPM)是用微探针在样品表面扫描，通过针尖与样品表面原子的物理化学作用以探测样品的显微镜。 SPM完全失去了传统显微镜的概念，其图像分辨率主要取决于探针尖端的曲率半径（通常在纳米范围）。 　 　二、扫描探针显微镜发展 　　 1981年，扫描隧道显微镜，第一种扫描探针显微镜第一次实时观察单个原子； 1986年，原子力显微镜，弥补了STM只能观察导电材料的不足； 1987，磁力显微镜、摩擦力显微镜 1988，静电力显微镜 1989，扫描电化学显微镜 1991，扫描此振力显微镜 1984~1992，扫描近场光学显微镜 　三、扫描探针显微镜分类 　　 STM 扫描隧道显微镜 SFM 扫描力显微镜(AFM、EFM、MFM、CFM、LFM) NSOM 扫描近场光学显微镜 PSTM 光子扫描隧道显微镜 SCM 电容扫描显微镜 BEEM 弹道电子发射显微镜 SThM 扫描热显微镜 SVM 扫描电压显微镜 　四、扫描探针显微分析的特点 　　 原子级高分辨率（横向0.1nm 纵向0.01nm） 可实时得到在实空间中表面的三维图像，用于材料表面结构研究 可观察单个原子层的局部表面结构 →如表面缺陷、表面重构、表面吸附等 可在真空、大气、液体、高温、低温等不同环境下工作，无特别制样技术，适合生物样品和在不同实验条件下对样品的表面评价 配合扫描隧道谱，可得到有关表面电子结构的信息 可对单个原子和分子进行操纵（STM） →对表面进行纳米级微加工 体积小、成本低 　扫描探针显微分析的特点 局限性： 　　 只能观测表面，不能探测深层信息； 探针质量随机性大，测试结果在很大程度依赖操作者； 探针扫描范围小（~μm）难以对观察点精确定位。 　一、概述　　 扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)，是以量子力学的隧道效应为基础，利用一个极细的尖针在样品表面扫描以获得样品表面形貌的显微方法。 　 当针尖和样品表面靠得很近（1nm）时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压（2mV~2V）， 电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成隧道电流，电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系。 通过控制针尖与样品表面间距或隧道电流的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。 1. 自由电子模型 经典自由电子论→将金属中的传导电子看作自由电子经典气体，服从麦克斯韦-波尔兹曼统计规律； 近代自由电子论→将金属中的传导电子看作自由电子费米气体，服从费米-狄喇克统计规律。 T=0K（基态） T0K 2. 隧道效应 在金属的边界上，存在比 高的位垒Φ，在金属中的自由电子只有 Φ的电子才能从金属内逸出。 另一方面，量子力学还认为自由电子还具有波动性，电子波 向金属表面传播遇到表面位垒Φ时，部分反射 ，部分透射 ，这样在一定温度下，部分电子穿透金属表面位垒，形成表面电子云，即产生隧道效应。 3. 隧道电流 当两种金属靠得很近时（1nm），两种金属的电子云将互相渗透。 当加上适当的偏压时，即使未真正接触，也会有电流产生。该现象为隧道效应，该电流为隧道电流。 在低温低压下，隧道电流I可近似表达为： IT∝exp（-2kd） 式中， IT -隧道电流，d-样品与针尖的距离，k-常数 在典型条件下，k=10nm-1，可得每当d减小0.1nm， IT