隧道效应扫描隧道显微镜-答辩苏明.ppt

隧道效应和扫描隧道显微镜 专业班级：应用物理051 学生姓名：苏明 指导老师：王景雪 * 理学院09届应用物理专业毕业论文答辩 显微镜的发明使人类的视野一步步向微观世界迈进。从列文虎克使用光学显微镜观察细胞，到电子显微镜下清晰的材料表面形貌，人们对微观世界的了解逐渐深入。而扫描隧道显微镜(STM)的发明是人类在微观领域的又一个巨大飞跃.现在，STM及在此基础上发展而来的SPM已经被广泛应用于材料科学、生命科学技术、探测及纳米技术、微电子技术等多个当今科技前沿领域。所以学习STM的基本原理及应用，既能够使我们进一步理解量子力学的一些基本原理现象，更有助于今后在这些高精尖领域进一步学习深造。 * Contents 扫描隧道显微镜 1 STM的发展--SPM 2 SPM在纳米加工领域的应用 3 SPM用于石墨表面分析 4 * STM基本原理 扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，通过电流的变化得到样品表面的相关信息。将原子尺度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，即隧道效应。形成的隧道电流 是电子波函数叠加的量度，与针尖和样品之间的距离 和平均功函数 有关： * 扫描隧道显微镜工作模式 STM的基本工作原理就是通过测量隧道电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏。由此产生的基本的工作模式主要有两种 一是控制隧道电流的恒定，使用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录下来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图像。这种扫描方式称为恒电流模式，应用于表面形貌起伏较大的样品。 * 而对于起伏不大的样品，我们采用第二种扫描方式，即恒高模式，控制针尖高度守恒，记录隧道电流的变化从而得到样品表面的各方面信息。这种模式的优点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。 STM与EM、FIM的各项性能指标比较 分辨率 工作环境 样品环境温度 对样品的破坏程度 检测深度 STM 原子级 实验室环境、大气、溶液、真空 室温或低温 无 1-2个原子层 TEM 点分辨 晶格分辨 高真空 室温 小 一般小于100nm SEM 6-10nm 高真空 室温 小 1μm FIM 原子级 超高真空 30-80K 有 原子厚度 * 由于STM的基本工作原理是利用了隧道电流，这就要求了样品表面必须具有一定程度的导电性。对于半导体观测的效果差于导体，而绝缘体就无法观察。 STM基础上的发展 STM BEEM AFM LFM MFM EFM * 1986年Binnig、Quate和Gerber发明了第一台原子力显微镜AFM。 AFM的工作原理如图所示。将一个对微弱力及其敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖与样品表面轻轻接触。针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，微悬臂会发生微小的弹性形变。通过测定微悬臂形变量的大小，可以获得针尖与样品间的作用力的大小。作用力与距离有强烈的依赖关系，可以根据微悬臂的弹性系数k和函数 直接求出样品针尖间相互作用力F * 光学检测法 隧道电流 检测法 AFM信号 检测 * AFM成像模式 1 接触模式 针尖始终和样品接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品表面滑动。 2 非接触模式 针尖在样品表面上方振动，并保持不与样品接触，探针检测的是范德华力等对样品没有破坏的长程作用力 3 轻敲模式 微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，针尖轻轻敲击表面，间断性的与样品表面接触 * AFM这种接触式探针显微镜主要利用的是原子间的短程斥力，而当探针与样品表面距离10~100nm时，磁力、静电力和吸引的范德华力等长程作用力就可以被检测出来。接触式AFM是微悬臂上的针尖与样品表面接触，表面形貌象的获得是通过测量在扫描时微悬臂的静态弯曲所得到的。而通过测量磁力、静电力和范德华力等长程作用力而成像的显微镜，针尖与样品表面并不接触，都是采用测量表面性质对受迫振动的微悬臂所产生影响的方法。这一类主要包括激光力显微镜，磁力显微镜和静电力显微镜等。 各种类型的SPM都是依靠一个极细的针尖与样品表面原子的作用，进行原子级表面形貌观察。现在，人们不仅可以根据样品的性质选取适当的SPM来获取样品表面信息，同样可以使用SPM对样品表面进行加工。这主要是基于在STM工作时产生的电子束会在针尖所对应的样品表面微小区域中产生结构性缺陷、相变、化学反应和吸附质移位等干扰，并诱使化学淀积和腐蚀，这是STM可用于表面微细加工的客观依据