扫描隧道显微镜(STM)

1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer)
二、基本原理
1．隧道电流 隧道结电流密度（对两平行金属）
s：有效隧道距离 VT：所加电压 k o： k o = φ ：有效势垒高度 φ ＝1/2 (φ 1+φ 2)eV 对于真空是几个电子伏 对氧化物小于1电子伏
I-s有指数关系： I ∝ exp[-2kos] 隧道电流在10－9－10－6 A量级 当s增加Δ s时： I ∝ exp[-2kos]· exp[-2koΔ s] 设 则 Δ s =1 Å，ko≈1 Å－1 (φ ∼5eV) exp[-2koΔ s] = e－2 ≈ 1/8
即：当s增加 1Å 时，I将减少一个数量级。
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
源自文库
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。
精度控制估算：
由 I ∝ exp[- 2 kos] lnI = - 2 kos + 常数
△ XYZ位移器（样品位置细调〕 微小距离移动的精确控制 △ 样品粗调 使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离 (10- 100μ m) 调整到100 Å 量级 － Louse 结构 － 精细螺旋机构 △ 防震系统分析 － 使由振动引起的隧道距离变化 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在
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 纳米技术、表面微细加工、搬动原子
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
针尖与表面距离
△ 防震
2-5 Å
2.结构 三维控制的压电陶瓷： Px和Py上加周期锯齿波电压，使针尖沿表 面作光栅扫描。 利用隧道结电流I反馈，控制加于Pz上的电 压来控制s，以保持I不变。 如s↗ → I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长 → s↘。
VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
光束反射法
(2)力传感器( 微悬臂和针尖 )
△ 低的力弹性常数 △ 高的力学共振频率
△ 高的横向刚性
△ 短的悬臂长度 △ 带有镜子或电极
△ 尽可能尖的尖端
利用弹性元件形变 F = kΔ z(虎克定理) F很小，k和Δ z也必须小。
但k小不符合刚性原则，
因此在降低k的同时，也要减小M。
例: 微杠杆由25μ m金箔作成，重量10－10kg
fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δ z可小至10－3－10－5 nm
则有：F = kΔ z = 2×(10－14－10－16)N
用简洁的语言或图示的方法 说明 STM与 AFM工作原理之间 的差别
4. 应用例举 △ 绝缘样品、生物样品形貌测量
△
弹性和塑性测量
映表面起伏。 激光力显微镜（LFM） 扫描热显微镜
磁力显微镜（MFM）
静电力显微镜（EFM） 弹道电子发射技术
扫描隧道电位仪
光子扫描隧道显微镜 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
2．逸出功的测量 由 I ∝ exp[- 2 kos] Δ I/I = - 2 koΔ s Δ I/Δ s = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ 1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。 3．扫描隧道谱(STS) 在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征 峰的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使 针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随x,y的变化，得扫 描隧道谱象。 表面的电子性质和化学性质表现在I-V 和 dI/dV－V 曲线中。
△ 表面原子间力的测量
扫描探针显微镜(SPM) 在STM基础上发展起来 AFM与样品有轻微接触(斥力状态)，使样品有损伤。 SPM：压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强 迫振动，利用样品与针尖在10-100 nm 范围内的长程 力(如吸引的范德瓦尔力、磁力、静电力等)，改变微
悬臂的振动情况，为保持振动情况不变所加的信号反
1－100Hz)
四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R 有一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ 。δ 与 R、s 和 ko 有如下近似关系：
R：针尖半径 S：针尖至表面距离
Ko =
φ = (1/2)(φ 1+φ 2)
若 R = 3 Å, s = 2 Å, ko = 1 Å -1 则 δ ≈1.6 Å (分辨率) 只有在表面各处逸出功相同时，针尖在z方向的 位移才表示样品外形的起伏。
品形貌信息。
利用了原子间的力
关键技术：微悬臂及其位移检测
3. 结构及关键技术 （振动隔离及样品移动等与STM相同） （1）AFM 微悬臂位移的检测方法 要求： 有纳米量级的检测灵敏度 测量对悬臂产生的作用力小到可忽略
方法：
隧道电流法（用STM） 光学检测法:干涉法 光束反射法 电容检测法
隧道电流法（用 STM）
应用举例： Si (111) 面的 7×7 结构 STM △ 水平分辨率: 0.1 nm 纵向分辨率: 0.001 nm △ 信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布 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
两边微分
Δ I/I = - 2 koΔ s
若保持隧道电流 I不变
Δ I/I 在±2％之内 （电路控制可达精度）
设 ko≈1Å
－1，则
Δ s ≈ 0.01 Å
表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01 Å
三、扫描隧道显微镜的结构
1. 技术关键
△ 微小距离的移动及控制－压电陶瓷
位移灵敏度在 5Å /V 量级 STM针尖半径R 3-10 Å
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
微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。
针尖与表面轻轻接触(斥力:10－8－10－6N)。 样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定(样品与针尖间距
离不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样