材料结构分析-表面显微技术.ppt

③电流与极间距离S成指数关系，对间距S的变化非常敏感。这样当针尖在被测样品表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的、甚至接近数量级的变化。 ④这样，通过测量电流变化来反映表面上原子尺度的起伏。 4）STM工作运行模式： ①恒高模式：即保持针尖高度一定，测量隧道电流 的变化。 ②恒流模式：即保持隧道电流不变，测量针尖随表 面起伏上下运动的轨迹。 恒流模式是STM常用的工作模式。而恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。当样品表面起伏较大时，由于针尖离表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面的破坏。 5） STM的主要技术参数和指标 3、STM的减震 由于STM工作时的针尖与样品间距一般要小于1 nm，同时因隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动都会对仪器的稳定性产生影响。许多样品，特别是金属样品，在STM的恒电流扫描模式中，观察到的表面起伏通常为0.01 nm，因此，好的仪器应具有良好的减震效果，一般由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001 nm。 隔绝振动的方法：主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。目前常用减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂以及磁性涡流阻尼等三种综合减震措施来达到减震的目的。 4、 STM的单原子操作 单原子操作主要包括三个部分，即单原子的移动、提取和放置。 目前，使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品之间的距离非常接近，仅为0.3－1.0 nm，因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产生一个强度在109－1010 V/m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下被移动或提取，并在表面上留下原子空穴，实现单原子的移动或提取操作。 5、 STM应用举例 首次实现对原子的直接操纵和搬运： 美国IBM公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜（STM）直接操纵分子，成功地在Ni基板上，按自己的意志安排分子组合成 “IBM”花样图案； 日本科学家利用STM直接操纵原子，将Si原子堆成三维“金字塔”花样,首次实现原子三维空间搬迁。 研究纳米尺度的表面与界面的电荷行为 6、STM的缺陷 STM有着现代许多表面分析仪器所不能比拟的优点。但由仪器本身的工作原理所造成的局限性也是显而易见的。STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能直接用来观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。 四、原子力显微镜(AFM) 为了弥补STM的不足，AFM应运而出现了。它除了具有STM的功能和特点外，还具有： 原子力显微镜（Atomic Force Microscope），简称AFM，1986年由G. Binning博士等提出的。 ① 能够直接测试绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。 ② AFM还可以研究材料的硬度、弹性、塑性、粘着力等力学性能以及表面微区摩擦性质。 1、引言 2、AFM方法原理： 1）利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。 2）将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力（10-8 －10-6 N）时， 微悬臂会发生微小的弹性形变。 3）针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变ΔZ 之间遵循虎克定律，即F=K×?Z，其中k为微悬臂的力常数。这样测定微悬臂的形变ΔZ量的大小，就可以获得针尖与样品之间的作用力大小。 4）针尖与样品之间的作用力与距离有着强烈的依赖关系。 恒高模式由于不使用反馈电路，可以采用更高的扫面速度，通常在观察原子、分子像时用得比较多，而对于表面起伏较大的样品不合适。 3、AFM工作模式 AFM在扫描过程中，同样存在两种工作模式： ① 恒力模式（Constant Force Mode）: 保持微悬臂的变形量不变，针尖就会随着表面的起伏上下移动而成像。 ② 恒高模式（Constant Height Mode）：即保持针尖与样品之间距离恒定，检测器直接测量微悬臂Z方向的形变量来成像。 4、AFM应用举例 Wormlike 均匀纳米粒子TiO2膜的制备 本章思考题： 1. TEM和SEM方法的比较？ 2. STM和AFM方法的比较？ 3. 所涉及到的4种显微