扫描隧道显微镜的原理及应用.ppt

扫描隧道显微镜的原理和应用01扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。02STM历史意义STM前的显微镜光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观察细胞.电子显微镜(德国科学家ErnstRuska和MaxKnoll发明),可以观察到比细胞更小的病毒.光学显微镜电子显微镜光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子.电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示.总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.光学显微镜和电子显微镜的缺陷一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测物体表面的想法.发明人为德裔物理学家葛.宾尼(GerdBining)博士和他的导师海.罗雷尔(HeinrichRohrer)博士他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明STM他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室.结果成功了!STM的发明GerdBining，HeinrichRohrer和ErnstRuska荣获1986年的诺贝尔物理奖扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。隧道效应根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。一STM工作原理由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，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。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离s以及样品表面平均势垒的高度p有关，其关系为I∝Uexp[-A(ps)1/2]，式中A为常量。如果s以0.1nm为单位，p以eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝Uexp[-(ps)1/2]。由此可见，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。STM的结构常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图3所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。STM的工作方式恒流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即保持针尖与样品表面之间的局域高度不变，针尖随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛恒高模式在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离s将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。STM具有极高的分辨率01STM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。02STM的使用环境宽松。03STM的应用领域是宽广的04STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。05STM的应用优势:二STM的应用STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：“看见”了以前所看不到的东西STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。C60在硅晶面上的吸附取向实验实现了单原子和单分子操纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、推