材料现代微观分析技术——基本原理及应用 教学课件 ppt 作者 李炎 编著第10章 扫描探针显微镜.ppt

第10章 扫描探针显微镜（SPM） Scanning Probe Microscope 一. 概 要 扫描探针显微镜的发展历史-1 1986年获诺贝尔物理学奖 扫描探针显微镜的发展历史-2 扫描探针显微镜的主要功能 扫描探针显微镜家族成员 扫描隧道显微镜（STM） 隧道效应 STM工作原理说明 STM工作原理说明 STM工作原理说明 STM的基本工作原理 STM的工作模式 STM二种成像模式的说明 扫描隧道显微镜（STM） STM应用例－Si(111)面原子重构象 STM应用例－铜单晶表面吸附的硫酸根离子 铑单晶上的氧原子点阵（5nm 扫描范围） 氧原子点阵（4nm 扫描范围） 吸附在铂上的碘原子缺陷（2.5nm 扫描范围） STM加工方法－1 STM加工方法－2 STM加工方法－3 STM加工方法－4 STM加工例－文字的书写 STM应用例－世界上最小的广告 STM应用例－原子算盘 STM应用例－纳米绘画艺术 纳米车的制造 人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将逐个地排列原子，制造产品。这是著名物理学家诺贝尔获得者理查德·费曼1959年对纳米技术的最早梦想。 美国赖斯大学的科学家近期利用纳米技术制造出了世界上最小汽车。和真正的汽车一样，这种纳米车拥有能够转动的轮子。只是它们的体积如此之小，甚至即使有两万辆纳米车并列行驶在一根头发上也不会发生交通拥堵。 C60的发现 碳六十最初是由科学家们在太空中搜集宇宙尘埃时发现的物质，人们一直未在地球上发现。 1985年美国化学家史莫利与英国化学家 科尔托利用雷射激光于石墨上，使其蒸发而成碳灰，将收集的碳灰去杂质、纯化后得到的物质。质谱仪分析结果发现为两种不明物质，其重量分别为碳重量的六十倍与七十倍，故称此两种不明物质为 C60与C70 。这种物质具有什么样的构造？ 同年，科学家科尔托(Harold Kroto)到加拿大的蒙特娄巨蛋体育馆(下图)，见到巨蛋体育场的屋顶为五角形与六角形构造而得到灵感，进而成功解出碳六十的结构，碳六十像足球形状，有20个六边形和12个五边形的面，是三十二面所构成的封闭球体。该巨蛋体育馆的屋顶结构，为一名美国建筑师巴克明斯特．富勒所设计，科尔托为纪念此事，便以建筑师的名字将碳六十命名为富勒球。 C60结构的解析 加拿大的蒙特娄巨蛋体育馆 英国化学家 科尔托 纳米车 滚动前进的纳米车车身虽小部件齐全 纳米车的构造 纳米车的行进 STM的特点和使用范围（一） STM的特点和使用范围（一） STM的特点和使用范围（三） 原子力显微镜(AFM) 原子之间力的相互作用 AFM模型图 AFM激光检测法 原子力显微镜的工作原理 AFM的工作模式 SPM SPI3800N SPA300 SPM的主体部分 CCD摄像机 AFM应用例－金属薄膜台阶 高序石墨分层台阶 高序石墨原子像 晶体生长台阶 钙钛矿晶体表面 细菌蛋白的六角晶格结构（液体中） AFM应用例－DVD表面形状 人造骨材料纳米压痕 DNA分子 蜘蛛丝分子的弹性系数测定 断面曲線的変化 AFM的特点和使用范围 思考题 1. STM的工作原理以及可以用它做什么工作？ 2. AFM的工作原理以及可以用它做什么工作？ C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。 整辆纳米车对角线的长度仅为3至4纳米，比单股的DNA稍宽，而一根头发的直径大约是8万纳米。 纳米车虽小，也拥有底盘、车轴等基本部件。其轮子是用60个碳原子组成足球状单一分子。这使得纳米车在外观上，看起来像哑铃。它利用一种三合体作轴，连接每个轮子的轴都能独立转动使得这种车能够在凹凸不平的原子表面行进。 纳米车95%的重量都是碳元素，此外还有一些氢和氧原子。整个制造过程大致与分子合成药物的步骤相似，分成20步。制造完成后，再被置于甲苯气体中，放置于金片表面。 　　在常温下，纳米车的轮子会和金片表面紧密结合，当把金质金属表面加热到200℃的高温后，放置在上面的纳米车由于变性就能开始运动。现在还不知道在没有外力作用时它们会向前还是向后运动，但是一旦开始，就不会停顿或改变方向，直到停止加热。 1. 具有极高的分辨率。水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米，可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。 2. 得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，STM是真正看到了原子。 3. 使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而STM既可以在真空中工作，又可以在