现代材料分析与测试技术第10章扫描探针显微镜.ppt

第十章 扫描探针显微镜 10.1 扫描探针显微镜的分类 1.扫描隧道显微镜 2.原子力显微镜 1.扫描隧道显微镜 1）隧道效应理论 假设这样一个系统： 两片金属片被一片厚度为d的绝缘物（例如真空）隔开（如下图1） 两片金属上加有一个电压U，在金属里，电子的能级是E0，E1，…EF，而绝缘物则相当于一个势垒φ 按照经典的电磁学理论，一个在金属1中处在能级EF上的电子，至少要获得能量φ，才能跑到金属2中去（如图2） 但是按照量子力学，它无须获得任何能量，便有一定的几率离开金属1跑到金属2里去，就像经过一条隧道从位势的山底钻过去似的（如图3），这就是隧道效率。 由于隧道效应，在金属2与金属1之间便形成隧道电流，一般在低温和小偏压条件下，隧道电流可简单地表示为 ： I∝e-2kd 式中：I-----隧道电流； d-----是金属1和金属2间的距离； k---是金属表面电子波函数在绝缘层势垒中的衰减常数，在真空系统下为 式中: h为普朗克常数； m为电子质量； φ为有效局域切函数，近似等于势垒高度。 由上两式可看出： 对于一个典型的切函数 φ＝4eV k＝0.1／nm 当间距d增加 0.1nm时，隧道电流 I即减小一个数量级。 若测得电流变化了 2％，则d变化了0.001nm。 （2）STM工作原理 STM工作原理是基于量子力学中的电子隧道效应： 当一具有原子尺度的探针针尖足够接近试样表面（间距小于1nm），使得针尖上的电子波函数与试样表面的电子波函数产生交叠时，加在针尖和试样间的电压（又称偏压（Ubias））将使电子穿过它们之间的势垒形成隧道电流。 随着针尖与试样间距的增加，隧道电流按指数衰减。 如果保持隧道电流恒定，使针尖在试样表面作光栅式扫描，同步地采集探针尖的运动数据，经过计算机处理后，在屏幕上显示出来，即可得到试样表面的三维图像。 STM的工作模式有两种：恒流模式和恒高模式。 恒流模式 1)隧道电流恒定， 2)控制针尖和样品之间的距离的不断变化来实现。 3)当压电陶瓷控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路取出针尖在样品表面扫 描的过程中他们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图象。 4)STM的恒流模式用于观察表面形貌起伏较大的样品。 STM的工作模式有两种：恒流模式和恒高模式。 恒高模式 1)控制针尖的高度不变， 2)针尖与样品之间的电流变化的信息来绘制样品表面的原子像。 3)恒高模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品，但其获得图象的速度比恒流模式要快。 （3）STM仪器及特点 STM一般由STM主体，电子控制机箱和计算机系统组成 STM与其他表面分析仪器相比，具有以下特点： a）STM能在原子级分辨率水平上观察样品的实三维表面结构。 b）可适用于不同的探测环境。 STM不像通常的电镜那样必须在高真空中才能工作，它不仅能在真空中工作，而且能够在低温下，常温常压下，甚至在溶液条件下都能获得分辨率很高的图像。 它不仅能观察晶体的表面结构，而且能够观察非晶体表面的结构。 c）体积小、成本低。 由于STM不像电子显微镜那样必需一套庞大的高真空系统和电磁聚焦系统，因此相对来说，它的结构简单，体积小巧，成本低廉。 STM也有其局限性，主要表现在： a）STM只能用于观测表面，不能探测样品的深层信息。 b）STM要求所观察的样品必须具有一定程度的导电性。 对于半导体，观测的效果就差于导体； 对于绝缘体或导电性不好的材料如生物样品，玻璃，由于不能形成隧道电流而无法直接观察。 c）由于电化学腐蚀法制备的探针质量具有较大的随机性，实验的成功率在很大程度上还依赖于操作者的经验和机遇。 d）探针扫描范围较小，数量级一般在微米，难以对观察点精确定位。 针对STM局限性的改进： 主要归纳为两个方面： 一方面是以STM的基本工作原理为基础，发展“扫描探针显微镜”家族，例如： 原子力显微镜（AFM） 磁力显微镜（MFM） 激光力显微镜（LFM） 弹道电子发射显微镜（BEEM） 光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。 另一方面是设法将STM与其他分析仪器组合起来，力求从一个观测点能同时获得多种信息，使STM从观察走向分析，扩大其应用领域。 （4）STM的应用 a）STM在物理学中的应用 在物理学方面，STM主要用于研究金属和半导体的表面重构、表面电子态、表面形貌及动态过程，超导体表面结构和电子态、层状材料中的电荷密度波等。 人们已用STM对Au（111），Au（110 ），Cu（110），Ni（110）等晶面进行了观测研究，均得到了重构图像。 b）STM在化学中的应用 主要用于研究有机或无机分子在表面的吸附、表面催化、表面腐蚀、表面钝化和电化学