材料结构分析表面显微技术 (2).ppt

3）STM工作原理：①利用半径很小的金属针尖作为一电极探测材料表面，被测固体表面作为另一电极。②当两电极之间距离减小到原子尺寸（小于1nm）数量级时，电子可以从一个电极通过隧道效应穿过势垒达到另一电极，并形成电流。第31页,共44页，星期六，2024年，5月③电流与极间距离S成指数关系，对间距S的变化非常敏感。这样当针尖在被测样品表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的、甚至接近数量级的变化。④这样，通过测量电流变化来反映表面上原子尺度的起伏。第32页,共44页，星期六，2024年，5月4）STM工作运行模式：①恒高模式：即保持针尖高度一定，测量隧道电流的变化。②恒流模式：即保持隧道电流不变，测量针尖随表面起伏上下运动的轨迹。恒流模式是STM常用的工作模式。而恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。当样品表面起伏较大时，由于针尖离表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面的破坏。第33页,共44页，星期六，2024年，5月5）STM的主要技术参数和指标第34页,共44页，星期六，2024年，5月3、STM的减震由于STM工作时的针尖与样品间距一般要小于1nm，同时因隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动都会对仪器的稳定性产生影响。许多样品，特别是金属样品，在STM的恒电流扫描模式中，观察到的表面起伏通常为0.01nm，因此，好的仪器应具有良好的减震效果，一般由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。第35页,共44页，星期六，2024年，5月隔绝振动的方法：主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。目前常用减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂以及磁性涡流阻尼等三种综合减震措施来达到减震的目的。第36页,共44页，星期六，2024年，5月4、STM的单原子操作单原子操作主要包括三个部分，即单原子的移动、提取和放置。目前，使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品之间的距离非常接近，仅为0.3－1.0nm，因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产生一个强度在109－1010V/m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下被移动或提取，并在表面上留下原子空穴，实现单原子的移动或提取操作。第37页,共44页，星期六，2024年，5月5、STM应用举例首次实现对原子的直接操纵和搬运：美国IBM公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜（STM）直接操纵分子，成功地在Ni基板上，按自己的意志安排分子组合成“IBM”花样图案；日本科学家利用STM直接操纵原子，将Si原子堆成三维“金字塔”花样,首次实现原子三维空间搬迁。第38页,共44页，星期六，2024年，5月研究纳米尺度的表面与界面的电荷行为第39页,共44页，星期六，2024年，5月6、STM的缺陷STM有着现代许多表面分析仪器所不能比拟的优点。但由仪器本身的工作原理所造成的局限性也是显而易见的。STM是利用隧道电流进行表面形貌及表面电子结构性质的研究，所以只能直接对导体和半导体样品进行研究，不能直接用来观察和研究绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。第40页,共44页，星期六，2024年，5月四、原子力显微镜(AFM)为了弥补STM的不足，AFM应运而出现了。它除了具有STM的功能和特点外，还具有：原子力显微镜（AtomicForceMicroscope），简称AFM，1986年由G.Binning博士等提出的。①能够直接测试绝缘体样品和有较厚氧化层的样品。②AFM还可以研究材料的硬度、弹性、塑性、粘着力等力学性能以及表面微区摩擦性质。1、引言第41页,共44页，星期六，2024年，5月2、AFM方法原理：1）利用一个对力敏感的探针针尖与样品之间的相互作用力来实现表面成像的。2）将一个对微弱力极敏感的弹性微悬臂一端固定，另一端的针尖与样品表面轻轻接触。当针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的作用力（10-8－10-6N）时，微悬臂会发生微小的弹性形变。第42页,共44页，星期六，2024年，5月3）针尖和样品之间的力F与微悬臂的形变ΔZ之间遵循虎克定律，即F=K×?Z，其中k为微悬臂的力常数。这样测定