扫描探针显微技术(SPM).ppt

思考题： 1．SPM技术有什么特点？ 2．STM和AFM的应用范围有什么不同？ 3．什么是隧道电流。 4．STM和AFM的工作原理。 5．如何解释STM图像。 6．从AFM的力－距离曲线中能得到什么信息？ 3 数据采集处理（微机） STM的主要技术指标是分辨率，常用高定向石墨HOPG作为检测标样，如能测得表面的原子排列图像，即STM仪器处于正常的工作状态，HOPG中有三种原子：A处两层原子重叠，B处只有上层而无下层，C处只有下层而无上层。 STM图像反映的是样品表面的局限电子结构及空间变化，而与表面原了位置无直接关系，不能将观测到的表面高低起伏简单地归结为原子的排列结构。 STM的图像并不直接反映表面原子核的位置，STM图像反映的是样品表面波函数的起伏，当Vb偏压改变时，探测到的是不同的表面波函数。 在测量Si(001)表面时，当偏压Vb为负时，是样品占据态的电子流向针尖（针尖带正电时）反映的是Si=Si二聚原子的最高占据轨道π的空间分布， 而Vb为正时（针尖带负电）则是电子从针尖流向样品的未占据态，反映的是最低未占据态π*的轨道空间分布。 虽然STM图像不能简单地归结为原子的空间排布，对STM图像的解释，通过量子化学的理论计算，并结合表面分析技术（如AES、XPS等）结合起来，综合分析，数据间相互印证等方法综合运用。 STM对工作环境要求较宽松，在大气、真空、溶液、高温、低温等条件下均可，对各种不同状态的表面化学研究十分便利。 例如，研究原位表面的化学反应，表面吸附、表面催化、电化学腐蚀等。 在Si(001)表面上 SiH3→SiH2-（吸附）+H（吸附） 3 STM信息存储 STM不仅能作为观测表面结构的工具，还能用于诱导表面发生局限的物理，化学性质的变化，对表面进行表面纳米尺寸的加工。 例如：用STM进行超高密度数据存储——热化学烧孔存储技术，利用STM针尖的高度局域化的隧道电流的焦耳热，诱导电荷转移复合物表面发生局部热化学气化分解反应，形成纳米尺寸的信息孔阵。 其中TEA－沸点　88.9℃ TCNQ－通过给受体之间部分电荷移形成复合物晶体分解温度为195℃，当施加于STM的Pt-Ir针尖上的为6V，停留在局部100μs时，即可烧出56nm，深为17 nm的孔，以这种方式进行数据存储。 6.3 原子力显微镜（AFM） STM以具分辨率高，应用范围广等特点，但也有局限性，对不导电的样品，或对表面有较厚氧化层的导体在应用时，还需对样品进行镀金、镀碳等处理。为了解决STM的局限性，斯坦福大学的Binning等人在1986年发明了原子力显微镜，同样能对高定向石黑（HOPG、导电）和高定向热解氮化硼（HOPBN、绝缘体）获得原子级分辨率的图像。目前，除了STM，AFM是最重要SPM技术。显然，AFM比STM应用范围更广，可以在空气、真空、渗液等条件下进行测定，从测试内容也更加丰富，除了观察各种材料的表面结构，还可以研究材料硬度、强性、塑性、摩擦等力学性能，同时还能进行原子、分子的操纵（移动）、纳米尺寸的结构加工和超高密度信息存储等。 6.3.1 AFM基本原理 1 工作原理　 AFM利用一个对力敏感的传感器探测针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像 将针尖固定在对微弱力极其敏感的弹性微悬臂上，当针尖与样品表面接触时，针尖尖端原子与样品表面之间存着极微弱的作用力; 当样品靠近针尖时，两者之间是范德华引力，当进一步接近时，变成范德华斥力，一般为10-8---10-6N。 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。 原子间范德华力 微悬臂会发生微小的弹性变形，针尖和样品之间的力F，与微悬臂的变形△Z之间服从Hooke定律，F＝h· △Z 　 h－微悬臂的力常数，通过测定微悬臂形变量△Z，就可以得到针尖与样品表面作用力与距离的关系， 当针尖在样品表面进行扫描时，记录针尖运动的轨迹，就可以得到样品表面形貌的信息。 STM：针尖与样品表面之间隧道电流的变化。 AFM：针尖/ 样品之间作用力的变化。 由于AFM利用的是针尖/ 样品表面作用力，所以不受样品导电性能的影响。 AFM的检测方法类似于STM：恒力模式和恒高模式。 i 隧道电流法 检测原理同STM将微悬臂作为一个电极，传感器作为另一个电极，当两者之间距离变化时，隧道电流发生相应地变化，0.01nm分辨率通过反馈电路，保持隧道电路恒流/恒高。 ii 电容检测法 平极电容器的电容值与极板间距离成反比，将微悬臂作为一个极板，传感器作为另一个极板，z方向的变化可以导致平极电容器电容值的改变，但这种方法的分辨率较低，约为0.03nm，比隧道电流法低。 iii 光学检测法 光学检测法中常用干涉法和光束偏转法两种。光学干涉法的原理类