‘穿隧效应’的原理.ppt

Scanning TunnelingMicroscope(STM)掃描式穿隧顯微鏡 指導教授：葉義生 組員：劉靜嫣（499L0004） 　　　彭宥鈞（499L0048） 　　　李孟桑（499L0085） 目錄 ＳＴＭ簡介 ＳＴＭ原理 　　　　　ＳＴＭ穿隧效應 　　　　　ＳＴＭ穿隧電流 　　　　　ＳＴＭ取像方式 ＳＴＭ結構示意圖 ＳＴＭ應用與發展 參考文獻 ＳＴＭ簡介 1981年由Gerd Binnig（比尼格）和Heinrich Rohrer（羅勒）在IBM的蘇黎世實驗室發明，於1986年獲得諾貝爾物理學獎。 掃描式穿隧顯微鏡技術起源於1980年代初期，此技術有效且穩定的操控金屬探針，並利用量子力學的電子穿隧原理，藉由探針在距離樣品表面僅約幾個原子大小的範圍內來回掃描，讓原子的排列具體地呈現，有助於我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現象。 ＳＴＭ原理 掃描式穿隧顯微鏡是利用「穿隧效應」的原理，當探針與樣品間距離很小時，在兩者之間加上微小電壓，則電子就會在樣品與探針間形成穿隧電流。 掃描式穿隧顯微鏡利用一個掃描尖端接近樣本表面水平移動，掃描尖端帶有電壓，因此電子便會從尖端透過穿隧效應，越過空隙走到樣本表面，造成電流。樣本表面的起伏導致空隙的大小改變，對應的電流改變以便記錄於計算機中，以產生樣本表面的三維圖像。 (一)ＳＴＭ穿隧效應（tunneling effect） 　介紹STM的原理之前，我們必須先知道什麼是「穿隧效應」。所謂的「穿隧效應」就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。當然，穿隧的機率和距離有關；距離愈近，穿隧的機率愈大。當兩個電極相距在幾個原子大小的範圍時，電子已能從一極穿隧到另一極。穿隧的機率是和兩極的間距成指數反比的關係。古典力學中，一個處於位能較低的粒子根本不可能躍過能量障礙到達另一邊。但從量子物理的觀點來看，卻有此可能性。 (二)ＳＴＭ穿隧電流 (三)ＳＴＭ取像方式(1/3) 　定電流取像法constant current mode）：定電流取像法是以設定的穿隧電流為回饋訊號。由於探針與樣品表面的間距和穿隧電流有十分靈敏的關係，設定穿隧電流值即鎖定探針和樣品表面之間距。當探針在樣品表面掃描時，探針必須隨表面之起伏調整其高度；因此，以探針的高度變化來呈像，便反映出樣品表面的形貌。該法的好處是可容忍較大的表面高低變化；缺點是由於必須以回饋信號來調制，掃描速度較慢，容易受低頻雜訊的干擾。 (三)ＳＴＭ取像方式(2/3) 　定高度取像法(constant height mode)：定高度取像法是直接以穿隧電流值來呈像。當探針以設定的高度掃描樣品表面時，由於表面的高低變化，導致探針和樣品表面的間距時大時小，穿隧電流值也隨之改變。該法的好處是可做快速掃描以捕捉一些表面動態；缺點是掃描範圍內的樣品表面起伏不能太大，否則極容易損壞探針。嚴格說來，掃描式穿隧顯微鏡取得的像，除了反應樣品表面的幾何形貌，也包含表面的局部電子特性。這是因為穿隧電流的大小除了和探針及樣品的間距有關，也和探針所在位置的表面電子密度有關。 (三)ＳＴＭ取像方式(3/3) 　電流密度取像法 　(current imagingtunneling spectroscopy, CITS)：電流密度取像法結合了上述兩種方法，並在其中引進偏壓調變為取像變數，作法是以定電流模式為架構，讓探針在回饋系統的控制下，在掃描過程中保持一定的探針與樣品間距。然後在每一點，瞬時切斷回饋作用，並利用這段期間，將偏壓在預定的範圍內調變，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流。一般偏壓的調變均已數位化，將某一偏壓在掃描範間內各點的電流組合起來，即構成一幅二維電流密度分布圖。以此法取像，因回饋系統必須不斷地開關，所以比較費時。 ＳＴＭ結構介紹(1/4) 掃描頭（scanner）：壓電材料（piezoelectric materials）不僅結構堅硬，且用普通電壓源即可提供小於1A的精確度，所以幾乎所有的掃描頭均以此材料製成。經過這些年的發展，目前最普遍的模式是以壓電陶瓷管鍍上金屬，然後在外壁均分為四極做平行於樣品表面（x和y 方向）的掃描；內壁相對於外壁做探針及樣品間距（z 方向）的調變。掃描的範圍是由陶瓷管的長度、管壁的厚度、管徑及所加電壓的大小來決定，一般都可達幾個μm。掃描頭前端可接探針或樣品。 ＳＴＭ結構介紹(2/4) 探針（tip）：一般都是用0.5mm的鎢絲，以電化學的方法，在KOH 或NaOH溶液中腐蝕；或將0.25 mm 的鉑銥合金（PtIr）絲拉剪而成，針尖的直徑大都在幾百個埃的範圍。具高解析度的探針常可在掃描過程中以瞬時強電場來促使針尖結構的改變而獲得。 樣品台（sample stage）：由於樣品經常更換，並且尺寸不一致。因此，樣品台的設計必須考慮