现代材料分析与测试技术第10章扫描探针显微镜(3233KB).ppt

AFM的工作模式 接触式和动态模式 接触式是探针与样品表面紧紧接触并在表面滑动。针尖与样品之间的相互作用力是两者相接触原子间的排斥力来获得稳定，高分别率样品表面图象。但由于针尖在样品表面上滑动及样品表面与针尖的黏附力，可能使得针尖受到损害，样品产生变形，故对易变形的样品存在缺点。 动态模式是探针针尖始终不与样品表面接触，在 样品表面上方5~20nm距离内扫描，针尖与样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率或振幅恒定来控制，样品的高度值准确，适用于物质的表面分析。 * AFM在材料研究中的应用 STM同显微镜相比一个最大的优点是克服了电镜中样品必须处于真空的限制，可在大气，真空和水中无损伤地在原子尺度上观察样品表面，直接得到实空间中样品表面结构的三维图象，因而获得了巨大成功。 STM的缺点：测得的是Fermi能级附近的电子态密度，要求样品的表面是导体或半导体，限制了绝缘材料或导电性不好的材料，如生物样品、玻璃等. AFM对样品的导电性无要求，可以是导体、半导体、绝缘材料或导电性不好的材料，如生物样品、玻璃 * 在涂层中的应用 乳胶漆聚结程度的分析 涂料聚合物Tg的研究 涂料成膜温度的研究 在材料微结构中的应用 * * It is seen that the surface of Al2O3 film is very smooth in appearance. * doped elements changes the structure of the Al2O3 films, i.e., a rougher * 59.03% Ni-Fe 合金 * * 作业 什么是隧道效应？STM的工作原理是什么？ 简述STM的优点及局限性。 * 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。 * I∝e-2kd （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