扫描探针的显微镜(001).pdf

第四章 扫描探针显微分析 • 扫描隧道显微镜STM • 原子力显微镜AFM 1 扫描探针显微镜SPM SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。 • SPM是用来探测表面性质的仪器。 • 代表是扫描隧道显微镜和原子力显微镜。 • SPM具有原子级表面形状分辨率，并可检测多种纳米 级表面特性如力学特性、电性、磁性、热性等等。 • 优点为仪器体积小，样品无需特殊处理，可在任何 环境下进行测量；缺点为缺乏成份分析功能。 2 4.1 扫描隧道显微镜 （STM） （l）具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直样品表面 方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出 单个原子。 （2）可实时地得到在实空间中表面的准三维图象，可用 于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。 （3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相 或整个表面的平均性质。 （4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可 将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术， 且探测过程对样品无损伤。 （5）配合扫描隧道谱可以得到有关表面电子结构的信 息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密 度波、表面势垒的变化和能隙结构等。 3 （6）在纳米镊子帮助下可实现原子的操纵和加工，所以 被认为开始了纳米科技的新时代。 STM的工作原理 •STM的基本原理是利用量子隧道效应. • 以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。这种现象即 是隧穿效应。 • 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和 样品之间距离S和平均功函数有关, 当探针针 尖与物质表面排布原子的距离小到一定程度 时，其隧道电流会随距离S的变化而发生明显变 化。 4 STM的结构与工作过程 压电管控制电压 带电极的压电管 （根据隧道 电流的的大小随时调整针尖 和样品的距离，以保持隧道 距离控制和扫 电流的恒定） 描单元 隧道电流放大 器 隧道电压 （用以产 生隧道效应） 5 数据处理及显示 STM的重要器件 • 压电陶瓷: 当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷 会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压 的大小呈线形关系。 • 通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 • 把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状。 通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通