扫描隧道显微镜-(精选·公开·课件).pptVIP

扫描隧道显微镜 开篇设问 4. STM能在大气中得到稳定的、高分辨率的原子图像吗？ 1. 量子力学中隧道效应的基本原理是什么？ 2. 什么时间、由那些科学家研制出世界上第一台扫描隧 道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)， 它可以实现多大级别的分辨率？ 3. STM的基本结构和基本实验方法原理是什么？ 5. 基于STM的基本原理，现在已发展起来了那些扫描探 针显微镜 背景介绍 隧道效应及隧道电流的产生 1982年，IBM Zurich 实验室的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer研制出世界上第一台STM。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。他 们获得1986年诺贝尔物理学奖。 Gerd Binnig Heinrich Rohrer 实验原理 1、 隧道效应 根据量子力学，粒子可以穿透比它的能量E更高的势垒V0，这种现象称为隧道效应。其透射系数 a为势垒宽度，m为粒子质量， 为常数 图1 隧道效应示意图 O a x V V0 由于电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。 图2 金属表面与针尖的电子云图 2、隧道电流的产生 当样品与针尖的距离非常小（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，隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的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Φ有关 V0是加在针尖和样品之间的偏置电压， ，Φ1和Φ1分别为针尖和样品的功函数 A为常数 3、样品表面的扫描 隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 S极为敏感，如果 S 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。 4、STM的结构和工作模式 图3 STM的结构 STM的工作方式 实验仪器 图4 恒流模式 NanoView-I型扫描隧道显微镜，Pt-Ir金属探针，金薄膜（团簇）样品，高序石墨样品等。 图5 恒高模式 　 　 实验内容 1、准备和安装样品、针尖 2、金薄膜表面的原子团簇图像扫描 3、图像处理 4、高序石墨原子图像的扫描 3、选择“恒流模式”，扫描范围设为1000nm左右，等待 扫描过程。扫描结束后一定要注意退针。 设计案例 1、打开软件，新建文件并设置各种参数：隧道电流设 为0.6-1.0nA，偏压设为0.6-1.0V，扫描速度设为 0.3-0.5s/行，采样设为256； 2、探针初始化：按“自动进针”，待马达驱动探针进入 隧道区，缓慢调节 “平衡”旋钮进入隧道区； 4、运用“平滑处理”、“斜面校正”、“中值滤波”、 “Furiour变换、“边缘增强”、“图像反转”等功能尽 量增加图像的可读性 图6 金薄膜的扫描照片 必威体育精装版进展 基于STM的基本原理，现在已发展起来了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜（MFM）、弹道电子发射显微镜(BEEM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描电容显微镜（SCAM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度表现出的物理性质和化学性质。 相关文献 白春礼,《扫描隧道显微术及其应用》. 上海:上海科 学技术出版社,1992 2.王海迁,《原子尺度下的世界》. 中国科学技术大学出 版社,2006 3.Binnig, G. and Rohrer, H., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1987,26,606 4.白春礼,《原子和分子的观察与操纵》. 长沙:湖南教 育出版社,1994