扫描隧道显微镜ppt

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扫描隧道电子显微镜ppt课件

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缺点
• 1、在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下,有时它对样品表面微 粒之间的某些沟槽不能够准确探测,与此相关的分辨率较差。对铂超细 粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖,在形 貌图上表现得很窄,而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测 中则不会出现这种问题。 在恒高度工作方式下,从原理上这种局限性会 有所改善。但只有采用非常尖锐的探针,其针尖半径应远小于粒子之间 的距离,才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时,这一点显得 尤为重要。
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
STM的工作模式

尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下
述三个主要部分:驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的
机械系统(镜体),用于控制和监视探针与试样之间距离的电子
系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方
式:恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流,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,即是使针尖沿 x、y 两个 方向作二维运动。由于要控制隧道电流不 变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保 持不变,因而针尖就会随着样品表面的高 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。这就是说,扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面,显 微图象质量高,应用广泛。

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扫描隧道显微镜
物理与电子科学学院 仲明礼
一、引言
• 一、显微镜的发展史 • 人的眼睛不能直接观察到比0.1mm更小的物 体或物质的结构细节。人要想看得到更小 的物质结构,就必须利用工具,这种工具 就是显微镜。 • 第一代显微镜:光学显微镜,极限分辨率 是200纳米。由于光的衍射效应,分辨率受 制于半波长,可见光的最短波长为0.4微 米。
3.2 恒流模式的电子实现
头部系统 电子学控制机箱 计算机 压电陶瓷 扫描管 XY 控制
前置放大器
自动 控制
Z
AD/DA 多功能 卡
并 行 口
步进马达
针尖偏
TTL
马达驱动
3.3 恒流模式的三个重要参数:扫描速度、反馈速度、 • • • • 设定点 3.3.1 反馈的提出和应用 由于运用了反馈技术,使得针尖能够良好地跟 踪样品表面,突破了恒高模式的局限。 3.3.2 扫描速度、反馈速度、设定点三者之间的关 系 扫描速度:在可以接受的速度下,尽可能让扫描 速度慢一些(值越大速度越慢)。 在可以接受的 图像质量下,尽可能让扫描速度快一些。 扫描速度过快,来不及反馈,就有可能出现撞针 现象;扫描速度过慢,一方面等的时间太长难以 承受,另一方面由于漂移现象的存在使针尖漂离 开工作区,从而得不到样品表面图像。

STM中针尖对样品 作两维扫描
STM中针尖对样品作两维扫描 距离呈负指数关系
隧道电流与针尖样品表面距离
2、STM恒高模式的产生和局限性
• 2.1 恒高模式
当针尖扫描样品表面时, 记录每点的隧道电流值, 针尖以一个恒定的高度 在样品表面快速地扫描, 检测的是隧道电流经过 处理后得到图像。
恒高模式的局限
4、 STM的优缺点
特点:高分辨率,能够获得表面三维图像,可工作 在大气、真空、溶液环境下,工作温度可以改变, 它的出现使人类第一次能够在三维实空间下观察 单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为 有关的物理及化学性质;STM不仅可以用来观察 原子分子,还可以在超高真空超低温环境下进行 原子操纵。 • 局限:首先,它不能工作在绝缘表面。其次,现 今对STM 的成像理论,尤其对分子的成像理论有 不同解释,因其图像反映的是原子或分子的电子 结构或者是电子云的密度,所以成像的结果,究 竟产生于原子或分子的何种电子轨道,以及分子 与基底间相互作用对成像的影响等,其细节尚有 待于进一步揭示。

扫描隧道显微镜的原理及应用 ppt课件

扫描隧道显微镜的原理及应用 ppt课件

扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用
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
扫描隧道显微镜的原理及应用
STM的应用优势: • STM具有极高的分辨率 • STM得到的是实时的、真实的样品表面的
高分辨率图象。 • STM的使用环境宽松。 • STM的应用领域是宽广的 • STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器
来讲是较低的。
STM主要用于纳米技术上,常见的应用为:
1.“看见”了以前所看不到的东西
扫描隧道显微镜的原理及应用
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明
STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
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。
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。

扫描隧道显微镜ppt

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扫描隧道显微镜的工作模式
1 2 3
恒高模式
在ห้องสมุดไป่ตู้模式下,针尖在固定的高度位置进行扫描 ,适用于表面高度变化较大的样品。
恒力模式
在此模式下,针尖根据表面形貌调整自身高度 ,以保持恒定的力,适用于表面高度变化较小 的样品。
交流模式
在此模式下,针尖与样品之间存在小幅度的振 动,以实现更精确的表面形貌扫描。
01
扫描隧道显微镜(STM)是一种基于量子力学隧道效应的测量技术,它能够直 接探测样品表面的原子结构,具有极高的分辨率和灵敏度。
02
STM技术自1981年被发明以来,已经广泛应用于物理、化学、生物学等各个领 域,成为研究物质表面结构和电子态的重要工具。
03
在过去的几十年中,STM技术不断发展和完善,不仅在实验上取得了许多重要 的成果,如原子操纵、单分子检测等,同时也促进了理论计算和模拟方法的发 展。
扫描隧道显微镜的应用范围
材料科学
用于研究材料表面的微观结构和物理性质,如表 面重构、吸附和脱附等。
生物学
用于研究生物分子和细胞膜的表面结构和功能, 如DNA和蛋白质的微观结构等。
环境科学
用于研究表面污染和环境变化对材料表面的影响 。
03
扫描隧道显微镜的优缺点
扫描隧道显微镜的优点
原子级分辨率
扫描隧道显微镜具有原子级的分辨 率,能够观察和解析材料表面的原 子结构。
分子构造研究
STM可以用于研究分子尺度的构造 和化学键信息,为理解分子性质提 供基础数据。
在生物领域的应用
细胞结构研究
STM可以用于观察细胞表面的结构、分子分布等,为生物医学 研究提供新的视角。
病毒构造研究
STM可以用于解析病毒的原子级别结构,为疫苗研发等提供关 键信息。

扫描隧道显微镜STM-PPT课件

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2.STM的原理
l
隧道效应 Evaluation only. l 对于经典物理学来说,当一个粒子的动能E低 ted with于前方势垒的高度 Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 V0时,它不可能越过此势 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 垒,即透射系数等于零,粒子将完全被弹回。 而按照量子力学的计算,在一般情况下,其透 射系数不等于零,也就是说,粒子可以穿过比 它能量更高的势垒,这个现象称为隧道效应。
1.STM的发明
1982年,国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所 的Gerd Binnig和Evaluation Heinrich Rohrer 及其同事们成功地研 only. 制出世界上第一台新型的表面分析仪器,即扫描隧道 with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) 。 它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 个原子及其排列状态,并能够研究其相关的物理和化 学特性。因此,它对表面物理和化学、材料科学、生 命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意 义和广阔的应用前景。 STM的发明被国际科学界公认 为20世纪80年代世界十大科技成就之一;由于这一杰 出成就Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。
ted
5.2
1.STM的发明
Evaluation only. ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.

《扫描隧道显微镜》PPT课件

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第一类是光成像,包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放
大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜;光干涉
成像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。第二类是对
试件表面进行扫描,逐点检测,从而获得表面微观形貌的信息,
这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显微镜(SEM)
2021/3/8
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1.光学显微镜
光学显微镜是在光学放大镜基础 上发明的,放大镜的物体形貌分辨率 可达到0.1mm。1665年发明了光学显 微镜,它可将被测物体放大数百倍。 光学显微镜经过多次改进,现在的放 大倍数达到1250倍。如果再采用油浸 镜头或用紫外光,放大倍数还能在提 高一些。光学显微镜使用方便,应用 广泛,但受光波波长的限制,放大倍 数无法再提高。
TEM 是 通 过 电 子 束透过试件而放大成像 的,电子束穿透材料的 能力不强,故试件必须 做得极薄,加工这种极 薄的试件有相当难度, 故TEM的适用范围有限。
2021/3/8
3
3.表面轮廓仪
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术的提高,现在的测 量表面粗糙度的轮廓仪,分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损,用金刚石制造。探针尖 曲率半径在0.05um左右,这就限制了测量分辨率的提高,且测量时针尖有一定力压向试件,容 易划伤试件。
2021/3/8
2
2.透射电子显微镜(TEM)
TEM出现在20世纪30年代,到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理 极为相似,只是用波长极短的电子束代替了可见光线,用静电或磁透镜代替光学玻璃透镜,最 后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高,点分辨率可达0.3nm,线分辨率可达0.144nm,已 达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时,可看到原子排列的晶格图像,并已观察到 某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时,试件需放在真空室内。

扫描隧道显微镜优秀课件

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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。
26
STM的实验步骤
• 准备针尖和样品 • 手动逼近样品和针尖,使之距离约为1mm;切忌使针尖与样品发
生相撞; • 设置参数:隧道电流;针尖偏压;软件控制马达,使针尖自动逼
近进入隧道区; • 根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700~900nm,石
15
STM的仪器构造
STM Instrumentation
16
STM的仪器构造
STM Instrumentation
STM由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电 子学控制系统和包括A/D 多
功能卡的计算机组成。
• Tip
• Scanner
• Sample positioner
• Vibration isolation
190
STM的基本原理
10
STM的基本原理
1、隧穿效应 (Tunneling Effect) STM的工作原理是基于量子力学的
隧穿效应。 STM中最重要的概念隧穿电流(Tunneling current)可通过一维模 型简单说明。
对于经典物理学来说,当一粒子的动能E低于前方势垒的高度U0时,它不 可能越过此势垒,即透射系数等于零,粒子将完全被弹回。 而按照量子力 学的计算,在一般情况下,其透射系数不等于零,也就是说,粒子可以穿 过比它的能量更高的势垒,这个现象称为隧道效应。
• 1986年,STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
葛·宾尼(Gerd Binning)
海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)
3
概况

扫描隧道显微镜STM.ppt

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六、扫描探针显微镜(SPM)
一、简介
1.从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→ STM
分辨 200nm 几个nm
Å
2.原理
3.独特优点: Δ 观察表面形貌达原子分辨 Δ 无需任何透镜,不存在象差 Δ 可在各种条件下测量: 真空、大气、水、油及液氮中 Δ 广泛的应用: 形貌、表面电位、电子态分布
原子力显微镜及原子探针显微镜
扫描隧道显微镜 (STM)
Scanning Tunneling Microscope
一、简介 二、基本原理 三、STM的结构及关键技术 四、应用
1.表面形貌测量及分辨率 2.逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
五、原子力显微镜(AFM)
1.特点 2.工作原理 3.结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4.应用例举
弹道电子发射技术
扫描近场光学显微镜
扫描离子电导显微镜
搬迁分子、原子
单原子器件 纳米级加工与测量
优点:
高分辨率 实时动态过程检测 样品可以是晶体,亦可为非晶结构 无需特殊制样技术 对样品几乎无损伤
局限性:
表面起伏<1nm 不能观测样品内部
采用特殊的工作模式,可把后两者信息提取出来。 △ 对于非导体或针尖有沾污的情况,不能进行正确的测量
五、原子力显微镜(AFM) Atomic Force Microscope
1.特点:
△ 能测量绝缘体的表面形貌 (STM不能)
△ 测量表面原子间的力 测量弹性、塑性、硬度等
2.AFM 的结构及工作原理
2.工作模式 △ 恒高模式 用隧道电流的大小来调制显象管的亮度 △ 恒电流模式 用电子学反馈的方法控制针尖与样品间 距离不变(保持隧道电流不变),用反馈调 制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三 维图象。

2020年高中物理竞赛—物理实验A:扫描隧道显微镜(减震系统)(共14张PPT)

2020年高中物理竞赛—物理实验A:扫描隧道显微镜(减震系统)(共14张PPT)
2020高中物理竞赛
物理实验A
三.减震系统
▪ 由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小 于1nm,同时隧道电流与隧道间隙成指数 关系,因此任何微小的震动都会对仪器的 稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的 扰动是震动和冲击,其中震动隔绝是最主 要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频 率与仪器的固有频率入手。
▪ 外界震动如建筑物的震动,通风管道、变 压器和马达的震动、工作人员所引起的震 动等,其频率一般在1到100Hz之间,因此 隔绝震动的方法主要是靠提高仪器的固有 频率和使用震动阻尼系统。
▪ 扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板 (或大理石)和橡胶垫叠加的方式,其作 用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生 的影响,其固有阻尼一般是临界阻尼的十 分之几甚至是百分之几。
The End
Thank You !
பைடு நூலகம்
四.电子学控制系统
▪ 扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统,因此, 电子学控制系统也是一个重要的部分
四.电子学控制系统
▪ 扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动, 使探针逼近样品,进入隧道区,而后要不断采集 隧道电流,在恒电流模式中还要将隧道电流与设 定值相比较,再通过反馈系统控制探针的进与退, 从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能,都是 通过电子学控制系统来实现的。图1给出了扫描 隧道显微镜电子学控制控制系统的框图。
▪ 该电子反馈系统最主要的是反馈功能,这里采用 的是模拟反馈系统,即针尖与样品之间的偏压由 计算机数模转换通道给出,再通过X、Y、Z偏压 控制压电陶瓷三个方向的伸缩,进而控制针尖的 扫描。
▪ 电子学控制系统中的一些参数,如隧道电流、针 尖偏压的设定值,反馈速度的快慢等,都随着不 同样品而异,因而在实际测量过程中,这些参量 是可以调节的。一般在计算机软件中可以设置和 调节这些数值,也可以直接通过电子学控制机箱 上的旋钮进行调节。

扫描隧道显微镜 - 吉林大学物理实验教学中心27页PPT

扫描隧道显微镜 - 吉林大学物理实验教学中心27页PPT

扫描隧道显微镜 - 吉林大学 物理实验教学中心
31、别人笑我太疯癫,我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的量避免 绝望, 辛勤耕 耘,忍 受苦楚 。我一 试再试 ,争取 每天的 成功, 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ,我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩,生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ,睁大 眼睛, 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ,心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的,也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ,也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
31、只有永远躺在泥坑里的人,才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭,生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍,就是一下子不要学很多。——洛克
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x ( t ) = x0 sin(ω t + ϕ )
Damped table (ω0 , Q) ω
Transfer function of the STM
~ ~ x ( t ) = x0 sin(ω t )
ω 1+ Qω x0 0 T= ~ = 2 x0 ω 2 ω 2 1 − + ω 0 Qω 0
Transfer function of the table
2
Total transfer function: TT = T ·TS
Atomic Force Microscope (AFM)
deflection sensor
cantilever probing tip sample high voltage amplifier feedback regulator
∆z = d31 ⋅V ⋅
L H
V: applied voltage, L length, H thickness, d31 transverse piezoelectric coefficient.
Coarse approach
Surprisingly, this has been one of the most difficult obstacles in getting STM going. Think of the problem the following way: One starts out with the tip about a millimeter away from the sample and has to get within about a nanometer to get the tunneling current started. That is a factor of a million. It is like driving 1000 kilometers and stopping from full speed to zero within a meter. That might be possible going very slowly in a car with good brakes, but it would take days (weeks?). These days the tip approach is automated and run by a computer program. One uses two z-motions, a stick-slip motor with coarse motion and a z-piezo for the fine approach. The following two steps are repeated over and over again: 1) Expand the z-piezo fully while checking for tunneling current. 2) If no current is detected, retract the z-piezo all the way and move the coarse motor. Eventually, a tunneling current will be detected and the loop stops.
E electric field, L length, ∆L elongation, d31 transverse piezoelectric coefficient

∆L
L

E
A typical material is PZT (lead zirconium titanate). The ratio between lead and zirconium determines the Curie-temperature and the piezoelectric coefficient. Example: PZT-5H: d31 = -2.62Å/V i.e. L=1 cm, ∆L = 1 µm, E=380 V/mm
Feedback regulator
STM I ∝ e −κ z
P * ( I − I0 )
I0
I*∫
−τ 0
+
( I − I 0 ) dt
∆z
How does one keep the tunneling current I constant in STM ? The current is compared to a reference current I0 (typically 0.1 nanoampere). The difference (I-I0) is amplified by a factor P and converted into a voltage for the z-piezo (typically 100V). The sign is important to make sure that the tip moves away if the current too high, thereby reducing it (negative feedback). In addition to this linear feedback (proportional to I-I0) one can use the time integral over (I-I0), as shown in the lower branch of the diagram. This produces long-term stability and prevents feedback oscillations. One can also use the time derivative of (I-I0) as feedback in order to increase the scanning speed. By itself the derivative is prone to oscillations, but it can be stabilized by combining it with an integral feedback.
Piezoelectric effect
A piezoelectric material changes its length when an electric field is applied. Vice versa, it generates an electric field when squeezed or expanded. The analog to piezoelectricity in magnetism is called magnetostriction. It is produces unwanted magnetic fields in strained nanomagnets.
ω ω' 0
2
STM (ω0’ , Q’) ω
x s ( t ) = xs 0 sin(ω t + ϕ ' )
TS =
xs 0 = 2 x0 ω 2 ω 2 1 − ω ' + Q' ω ' 0 0
Technology Required for a STM
• Sharp, clean tip
(Etching, ion bombardment, field desorption by pulsing) • Piezo-electric scanner (Tube scanner, xyz scanner) • Coarse approach (Micrometer screws, stick-slip motors) • Vibrational damping (Spring suspension with eddy current damping, viton stack) • Feed-back electronics (Amplify the current difference, negative feedback to the z-piezo)
xy-piezo (lateral position) z-piezo (tip-sample distance)
Negative feedback keeps the force constant by adjusting the z-piezo such that the up-down bending angle of the thin cantilever remains constant.
Scanning Tunneling Microscope (STM)
xyz-Piezo-Scanner
z
y x
high voltage amplifier
probing tip
I
feedback regulator
sample
Negative feedback keeps the current constant (pA-nA) by moving the tip up and down. Contours of constant current are recorded which correspond to constant charge density.
Piezoelectric scanners
For three-dimensional positioning one uses xyz-leg scanners or tube scanners. The tube scanner is more compact (vibrates less, more sturdy). Its sensitivite atom at the end of the tip carries most of the current. This is the atom that sticks out the most. (Remember the factor 100 decrease in the tunneling current per atom diameter.) The atom at the end of the tip compares to a ping-pong ball at the top of the Matterhorn. (The STM was invented in Switzerland ! )
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