STM探针材料的选择与制作.pdfVIP

2012年第23期 科技曩向导 ◇本刊特稿◇ STM探针材料的选择与制作 宋 永 杨 阔 (阿坝师范高等专科学校 四川 汶川 6230021 【摘 要】能否制作出高质量的探针是开展扫描探针显微技术研究的前提，本文就STM探针在选择材料及制作过程中作了很多的研究，探 针的宏观结构、尖端的稳定原子态及化学纯度会影响探针的弯曲共振频率、隧道电流的稳定性，并最终影响实验结果。 【关键词】STM；探针；隧道效应 0．引言 料普通廉价．是比较成熟简便的方法 ，但在实验制备过程中探针受到 sTM以无可比拟的高分辨率和提供局域空间电子结构信息的特 的影响因素较多，也给制备出曲率半径较小且对称性较高的高质量的 点．为各种周期性和非周期性材料表面的科学研究作出了无法估量的 探针带来了很大的难度。STM探针可由钨(w)丝、不锈钢丝、钼丝、金 贡献。在扫描过程中。探针相当于一个传感器，探针的结构和功能决定 或铂铱合金丝作原材料 。 着STM图像的分辨率和纳米操控加工能力．不仅影响着图像的分辨 通过大量实验得出直流腐蚀法制备探针的最佳工艺条件：电压v 率和图像的形状。而且也影响着被测样品的电子态。 取 l1v时．偏离角度较小时，浸入深度选在 1．5～2mm范围内．溶液 影响探针物理性能的因素主要有两个方面：几何结构和电子态结 (NaOH)浓度在 2mo1／IJ．切断时间在 500ms或以下．腐蚀后可以得到的 构。几何结构涉及到探针的外观形貌，电子结构取决于元素材料同时 形貌对称性较好，曲率半径较小的可用的钨探针，如图1所示。 受几何结构的影响[1-2] 在此基础上．也可利用交流电化学腐蚀方法制作探针 在制作过 1．探针材料的选择 程中，不同于直流腐蚀法的是钨丝作为电极的阳极．铂金丝作为阴极 实验中采用交、直流腐蚀法制作两种材料的探针：w探针和cu 整个腐蚀过程中，两个电极与液面的接触处都有汽泡产生．这样不利 探针 原子构造的对称性理论认为．原子作为核与核外电子相互作用 于生成高对称性形貌的钨探针。 的对立统一体、其构造涉及两个方面的基本问题，这就是核与电子 (包 通过两种方法制备的探针可以看出：直流腐蚀法得到的探针外观 括电子与电子)之间的相互作用及其它们之间相互作用的作用方式引【。 形貌具有良好的对称性．探针尖端的曲率半径很小 ．且探针形貌呈双 这二者在其自然表现形式上实际上是分属于 能“量”和 “对称性”两条 曲线型：交流腐蚀法得到的探针也具有比较好的对称性．只是在探针 基本 自然法则支配的 其中“能量原理”是使核外电子的轨道分布要尽 尖端的曲率半径上有些微的差别．其探针形貌为抛物面状 在探针纵 可能地优先占据能量最低的轨道。并使整个原子体系保持其尽可能低 横比相同的情况下．显然双曲面型的探针的曲率半径会更小．探针尖 的能量 这一 自然法则在以往的原子构造理论中被称之为原子构造的 端会更尖趋近于单原子．也更符合STM的要求 双曲线型的探针还具 “能量最低原理”而 对“称性原理”对原子构造所起的支配作用则是使 有比较高的弯曲共振频率．这样也可以减小探针处的噪声．有利于获 核外电子及其自旋态的轨道分布要尽可能地排布成对核场 (及组态 自 得稳定的STM 图像 身)都具有相对最高对称作用的组态形式，以使整个原子体系(核与轨 采用直流法，在电压为 11V、探针插入 10％NaOH溶液的深度为 道电子及轨道电子与轨道电子之间)的电磁相互作用达到尽可能高的 1．5～2mm时．能腐蚀出质量较好的探针 作用平衡13]。 3．小结 钨和铜作为元素周期表中的第74号和第29号元素．它们的原子 使用直流和交流腐蚀法在适当的条件下均可制得曲率半径较小． 半径及第一电离能都相差较小．而其原子序数和电子构型却差别很 满足实验要求的尖端 ．但直流法所制备的双曲面新月型尖端形状更符 大。从原子序数可以知道 ．钨处于元素周期表的第三过