第三章-扫描隧道显微镜和原子力显微镜.pptVIP

STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质。 在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景， 被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。 这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。 STM具有如下独特的优点： 1. 具有原子级高分辨率，STM 在平行于和垂直于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.1nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子． 2．可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究． 3．可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等． 硅111面原子重构象 对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是所谓的重构。 4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见。 5．配合扫描隧道谱（STS）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。 6．利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。 7. 在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。 1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为： 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以及平均功函数Φ有关： 扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线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 (通常小于1nm) 时，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。 八、影响图像质量的因素 影响仪器分辨率和图像质量的因素主要有以下几点： 对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率 、针尖的尖端很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学纯度高； 压电陶瓷的精度要足够高； 减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统的综合使用； 电子学控制系统的采集和反馈速度和质量； 样品的导电性对图像也有一定的影响。 各种参数的选择要合适。 样品表面状态 原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。 利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物表面的物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式：???（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM），探针与试片的距离约数个?。 ???（2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM），探针与试片的距离约数十到数百?。 沉积于云母片上的抗体分子的 AFM成像 在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型显微镜 1.激光力显微镜（LFM） 探针是一根长半毫米的钨丝或硅探针，尖端至少在50nm以下; 在探针的底端装有一个压电能量转换器，将交流电转化为探针的振动; 当探针的振动频率接近其共振频率时，由于探针的共振，对驱动信号起放大作用; 1.激光力显微镜（LFM） 把这种受迫振动的探针调节到试样表面时（2—20nm），探针与试样表面之间会产生微弱的吸引力，使探针的共振频率降低; 驱动频率和共振频率的差距增大，探针的尖端振幅减小。 将这种振幅的变化用光学测量法探测出来，据此可推出样品表面的起伏变化。 2.磁力显微镜（MFM） 磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy）也是使用一种受迫振动的探针来扫描样品表面，所不同的是这