扫描探针显微镜精品PPT课件
合集下载
第八章扫描探针显微镜ppt课件
1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。 1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵 技术。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储 在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科 学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是 人们常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能
谱
扫描 电子 显微
镜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储 在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科 学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是 人们常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能
谱
扫描 电子 显微
镜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
扫描探针显微镜SPM48页PPT
Ra Ry Rz Rms Rp Rv
X 500.000[nm] Y 500.000[nm]
250000.000[(nm)2] 1.263[nm] 11.043[nm] 5.349[nm] 1.561[nm] 4.907[nm] 6.136[nm]
A
Length Length Area
Ra Ry Rz Rms Rp Rv
性显微镜)，MFM(磁力显微镜)，EFM(静 电力显微镜)，CFM(化学力显微镜)
简介-分类
SPM(Scanning Probe Microscopy)
STM(Scanning Tunneling Microscopy) SFM(Scanning Force Microscopy)
AFM(Atomic Force Microscopy) LFM(Lateral Force Microscopy) MFM(Magnetic Force Microscopy) EFM(electric Force Microscopy) CFM(Chemical Force Microscopy)
螺杆与簧片结合方式-高精度调节螺杆顶住 差分弹簧或簧片系统来调节，低温条件下
三维扫描控制器
微调定位（压电陶瓷材料）
三角架型，早期使用 单管扫描器 十字架配合单管型，可以在一定程度上补偿
热漂移的影响
三维扫描控制器
悬臂与针尖（力传感器）
STM针尖
铂铱合金针尖，圆锥型
AFM悬臂与针尖（力传感器）
TiO2-Pt DynamicMode
15.19 [nm]
200.00 nm
0.00 500.00 x 500.00 nm
TiO2-Pt DynamicMode
X 500.000[nm] Y 500.000[nm]
250000.000[(nm)2] 1.263[nm] 11.043[nm] 5.349[nm] 1.561[nm] 4.907[nm] 6.136[nm]
A
Length Length Area
Ra Ry Rz Rms Rp Rv
性显微镜)，MFM(磁力显微镜)，EFM(静 电力显微镜)，CFM(化学力显微镜)
简介-分类
SPM(Scanning Probe Microscopy)
STM(Scanning Tunneling Microscopy) SFM(Scanning Force Microscopy)
AFM(Atomic Force Microscopy) LFM(Lateral Force Microscopy) MFM(Magnetic Force Microscopy) EFM(electric Force Microscopy) CFM(Chemical Force Microscopy)
螺杆与簧片结合方式-高精度调节螺杆顶住 差分弹簧或簧片系统来调节，低温条件下
三维扫描控制器
微调定位（压电陶瓷材料）
三角架型，早期使用 单管扫描器 十字架配合单管型，可以在一定程度上补偿
热漂移的影响
三维扫描控制器
悬臂与针尖（力传感器）
STM针尖
铂铱合金针尖，圆锥型
AFM悬臂与针尖（力传感器）
TiO2-Pt DynamicMode
15.19 [nm]
200.00 nm
0.00 500.00 x 500.00 nm
TiO2-Pt DynamicMode
扫描探针显微镜PPT课件
8
.
9
隧道效应是由于粒子的波动性而 引起的，只有在一定的条件下，隧道 效应才会显著。经计算，透射系数T 为：：
T16E(V0E)e2ha 2m(V0E) V02
.
10
实验设想：
将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作 为两个电极；
当样品与针尖距离非常接近 (通常小于1nm) ；
加入外加电场的作用下。
.
36
.
37
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， 如振幅衰减的设定值，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。
.
33
.
34
在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够 满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。某些特 殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合 诸如磁性涡流阻尼等其它减震措施。测量时， 探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金 属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震 动等干扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。
.
28
Binnis和Rohrer等人在IBM苏黎世实验室设计的STM
中，采用的的粗调驱动器（作“小爬虫”，Louse）
粗调驱动器(L)由连成 三角形的三条相互绝 缘的压电陶瓷材料和 三只金属脚（MF）构 成．MF外镀一层高绝 缘薄膜，使其与水平 金 属 台 板 (GP) 高 度 绝 缘 ． 在 MF 和 GP 之 间 加上电压，由于静电 作 用 MF 就 被 吸 在 GP 上，去掉电压，MF则 被“释放”．
第八章 扫描探针显微镜ppt
扫描探针显微镜的特点
5、配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息，例如 表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒 的变化和能隙结构等。
6、在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便 宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检 测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也 十分低廉。
1932年
Ruska
Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微 镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能 谱
扫描 电子 显微 镜
扫描探针显微镜产生的必然性
低能电子衍射 和 X射线衍射 高分辨透射电子 显微镜 光学显微镜 和 扫描电子显微镜 X射线光电子 能谱 场电子显微镜 和 场离子显微镜
扫描探针显微镜的应用 用于研究物质的动力学过程
Continuous AFM height images of melt-crystallized poly[(R)-3-hydroxybutyric acid ](PH3B) thin film before (A) and during (B-F) enzymatic degradation by PHB depolymerase from Ralstonia pickettii T1 at 20℃ [9]
Diameter-Dependent Growth Direction of Epitaxial Silicon Nanowires[5]
SPM (scanning probe microscope) 发展史
1981年IBM公司G. Binning和H. Rohrer发明了扫描隧道显微镜 (STM)， 1986年获诺贝尔物理奖。STM使人类第一次跨入原子 世界，直接观察物质表面的单个原子。 1985年G. Binning在STM的基础上发明原子力显微镜（AFM） 随后又相继发明了 力调制显微镜 (FMM) 相位检测显微镜 (PDM) 静电子显微镜 (EFM) 电容扫描显微镜 (SCM) SPM 热扫描显微镜 (SThM) 近场光隧道扫描显微镜 (SNOM) 等等
-扫描探针显微分析技术(共34张PPT)
一种典型的AFM悬臂和针尖
位置检测部分
在原子力显微镜/AFM的系统中，当针尖 与样品之间有了交互作用之后，会使得悬 臂cantilever摆动，所以当激光照射在微 悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为 悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的 产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号 ，以供SPM控制器作信号处理。
原子力显微镜/AFM便是结合以上三个部分来将样品 的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜/AFM的系 统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样 品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再
20世纪三十年代早期卢斯卡（E.
图5溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITO的表面形貌像
三种观察原子的方法比较
空间分辨率 样品制备测量 条件 结构信息
图像
TEM 1--10Ǻ 超薄切片真空
2维
直观
X—衍射
STM/AFM
1Ǻ
结晶样品mg级 量
平均结构参数 ， 三维内部结构
拟合、重构
1 Ǻ（Z：0.1 Ǻ ）
反馈系统
在原子力显微镜/AFM的系统中，将信号经由激光检测器取入 之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的 调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的 移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描 移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称 的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩 短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。 也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架 的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫 描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样 品之间距离的目的。
位置检测部分
在原子力显微镜/AFM的系统中，当针尖 与样品之间有了交互作用之后，会使得悬 臂cantilever摆动，所以当激光照射在微 悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为 悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的 产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置 检测器将偏移量记录下并转换成电的信号 ，以供SPM控制器作信号处理。
原子力显微镜/AFM便是结合以上三个部分来将样品 的表面特性呈现出来的：在原子力显微镜/AFM的系 统中，使用微小悬臂（cantilever）来感测针尖与样 品之间的相互作用，这作用力会使微悬臂摆动，再
20世纪三十年代早期卢斯卡（E.
图5溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITO的表面形貌像
三种观察原子的方法比较
空间分辨率 样品制备测量 条件 结构信息
图像
TEM 1--10Ǻ 超薄切片真空
2维
直观
X—衍射
STM/AFM
1Ǻ
结晶样品mg级 量
平均结构参数 ， 三维内部结构
拟合、重构
1 Ǻ（Z：0.1 Ǻ ）
反馈系统
在原子力显微镜/AFM的系统中，将信号经由激光检测器取入 之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的 调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的 移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。
AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描 移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称 的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩 短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。 也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架 的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫 描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样 品之间距离的目的。
第三讲扫描探针显微镜
b
轻敲模式刻蚀法在Ti片上刻蚀得到的纳米点阵结构， a：纳米点阵结构的形貌图，b：纳米点阵结构的三维 结构像。
Pt film n-GaAS substrate
应 用 有 机 模 型
----
应 用 有 机 模 型
----
应 用 有 机 模 型
----
应 用 有 机 模 型
有机薄膜的表面电势模型:
----
µ AHAPS>µODS> µ CMPS>µFAS3>µFAS17
应 用 有 机 模 型
VODS>VFAS17 VODS>VFAS3 VODS>VCMPS
MoO3 crystallites on a MoS2 substrate 6 micron scan
Fluid Tapping Mode image of positively charged polystyrene latex particles adsorbed to mica in water. The average particle diameter is 120nm. 3000nn scan.
Viberational Signal: Φ1 Detector Signal: Φ2 ΔΦ=Φ1 -Φ2 Phase 像显示deg数据，同选择的工作点无关。
Phase模式的应用
Simultaneously acquired (left) Topo and (right) phase images of genomic DNA from the lambda bacteriophage scanned in air on a mica substrate. Due to a thick contamination layer on the sample, the DNA could be visualized clearly only in the phase image. Contrast in the phase image is due to the viscoelastic properties of the DNA on the mica. 3250nm scan.
第二讲扫描探针显微镜
AFM
恒力模式：探针与样品之间的作用力与距
离有强烈的依赖关系，在扫描的过程中利用 反馈回路保持探针和样品之间的作用力恒定， 即为悬臂的形变量⊿z不变。
F=κ×⊿z
其中， κ为微悬臂的力常数
测量过程
简言之，当微悬臂形变量大于设定值时，反馈回 路将发送命令使s变大，即探针远离样品；当微悬臂 形变量小于设定值时，反馈回路将发送命令使s变小， 即探针接近样品，接近到一定程度，微悬臂形变量又 会大于设定值，回到上一个循环。纪录探针的运动轨 迹即可得到样品的形貌。
典 型
力 距 离 曲 线 --
力 距 离 曲 线
-
影 响 力 谱 的 因 素
摩擦力、测定的速度等可能会影 响得到正确的力谱，摩擦力可能会使 力曲线上逼近线和脱离线在接触区不 重合，产生较大的滞后。而且样品逼 近越快，滞后越明显。
Scanning Spreading Resistance microscopy
e e
5.65eV
hv
passive
With or withour light, the current is not obviously changed.
e
Bias<0
CdS n-Si
1.0 0.8 0.6
dark Hg light after Hg light
Current (nA)
0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
接触AFM应用一
----表面结构
材料原子尺度的结构形态
有机自组 装双层膜 的原子像 (AFM， 8.6nm scan)
硬盘的化学处理形貌 （AFM，480nm扫描）
DNA在云母上的高分辨像 （AFM，155nm扫描）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 隧道电流强度对针尖与样品表 面之间的距离非常敏感，如果 距离小于0.1nm，电流将增加 一个数量级。
清华大学化学系
表面与材料实验室
6
隧道效应
• 根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位 势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在 一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁?
• 下图是相反偏压下的GaAs(110)表面上的STM像。
• 由于接收隧道电子的局域原子轨道不同，正偏压像与负偏压像 发生了位移。一个填满的孤对能带局域在As原子处，而未填充 态与Ga原子相伴随。
• 当偏压为＋1.9V的针尖越过As原子时，隧道电流达极大；而当 偏压为－1.9V的针尖越过Ga原子时，隧道电流也达到极大。若 针尖停留在某一位置扫描，则针尖偏压就可以测出样品和针尖 的局部态密度。
3
扫描探针显微镜原理
• 控制探针在被检测样品的表面进行扫描， 同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表 面的相互作用，就能得到样品表面的相关 信息。
• 显然，利用这种方法得到被测样品表面信 息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和 探针作用尖端的大小（即探针的尖锐度）
清华大学化学系
表面与材料实验室
4
STM的特点
• 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃 迁形成的电流叫做隧道电流?
• 之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电 流隧道一样?
• 隧道电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离非常 敏感，如果把距离减少0.1纳米，隧道电流就会增大一个 数量级。
清华大学化学系
表面与材料实验室
7
• R(s)＝exp(Aφ1/2s) • A＝1.025eV-1Α-1，s为
间距。结果见图7。 • 距离越大，电阻越大，
电流越小
清华大学化学系
表面与材料实验室
12
偏压极性对STM图像的影响
• 隧道电流的电子是从满态（或能带）过渡到未占态（或能带） 的。
• 隧道电压的方向决定了电子是从样品流向针尖还是从针尖流向 样品。
材料分析化学
第9讲
扫描探针显微镜
2003.12.2
清华大学化学系
表面与材料实验室
1
扫描探针显微镜
Scanning Probe Microscope，SPM
• 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope, STM
• 原子力显微镜 Atomic Force Microscope, AFM
• 当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于 样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发 生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；
• 控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算 机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形 貌图像?
清华大学化学系
表面与材料实验室
11
遂穿电阻和电流
• 遂穿电阻与针尖垂直移 动距离的关系：
清华大学化学系
表面与材料实验室
17
电子结构和STM像
• STM通常被认为是测量表面原子结构的工 具，具有直接测量原子间距的分辨率。
• 但必须考虑电子结构的影响，否则容易产 生错误的信息。
• 其实，在考虑了遂穿过程以及样品表面与 针尖的电子态的性质后，STM代表的应该 是表面的局部电子结构和遂穿势垒的空间 变化。
清华大学化学系
表面与材料实验室
13
偏压极性影响
清华大学化学系
表面与材料实验室
14
STM图象
清华大学化学系
表面与材料实验室
15
典型STM像
• STM要求扫描的范围从10nm 到1微米以上，可 以用来观察原子水平的样品形貌。
• 图6为量子点的表面形貌图。
清华大学化学系
表面与材料实验室
16
STM振幅强度与针尖和间距关系
• 1982年第一台扫描隧道显微镜问世。它的问世，使人们第 一次能够实时地观察到原子在物质表面的排列状态和与表 面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、 生命科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔的应 用背景，被科学界公认是表面科学和表面现象分析的一次 革命。
清华大学化学系
表面与材料实验室
• 激光力显微镜（LFM） • 磁力显微镜（MFM） • 静电力显微镜以及扫描热显微镜等
清华大学化学系
表面与材料实验室
2
发展历史
• 1972年发展了场发射形貌仪，针尖离样品表面10nm，高 偏压，测量场发射电流；
• 1982年解决了维持狭缝稳定的技术；高分辨定位和扫描技 术；针尖与样品距离控制技术。
• 恒高模式在高速扫描时使用，但 要求表面很光滑时才能使用。对 于粗糙表面的形貌，需要采用恒 流模式。
清华大学化学系
表面与材料实验室
9
STM仪器原理
清华大学化学系
表面与材料实验室
10
扫描隧道显微镜
• 扫描隧道显微镜又叫STM，它的基本工作原理是 利用探针与样品在近距离（<0.1纳米）时，由于 二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距 离非常敏感；
STM原理
• 如图1所示，一个原子级锐利的针尖，相对于样品加一偏 压，并位于样品表面《1纳米处。由于穿过缝隙区域的真 空势垒产生电子遂穿，在样品和针尖之间产生一个纳安级 的电流。该电流随狭缝间距的增加，以指数形式降低。
• 针尖的运动由在三个方向上的压电传感器控制，通过在传 感器上加一定的电场，使之发生变形来推动针尖的移动。 基本上每增加1V，就可以产生1nm左右的膨胀和收缩，从 而使针尖在纳米量级移动。
• 假定电子态局域在每一个原子的位置上，则测量在表面上 扫描的针尖的信号就可以给出表面原子结构图。
清华大学化学系
表面与材料实验室
8
STM原理-模式
• 结构可以用恒定电流模式画出， 这时记录的是受反馈控制的针尖 的上下运动，而在每一个x－y位 置上，隧道电流恒定不变。
• 结构也可以用恒定高度模式画出， 这时记录的是隧道电流随位置的 变化，而针尖在表面之上保持恒 定高度。
• 可以在环境气氛下进行如：大气，真空， 溶液，反应性气氛等；
• 可以从低温到高温进行分析 • 可以获得原子级别的空间分辨率； • 原子操纵工具，组装纳米结构
清华大学化学描隧道显微镜的基本原理是 基于量子的隧道效应。
• 将原子线度的极细针尖和被研 究物质的表面作为两个电极， 当样品与针尖的距离非常接近 时（通常小于0.1nm），在外 加电场的作用下，电子会穿过 两 个电极之间的绝缘层流向另 一个电极，这种现象称为隧道 效应。
清华大学化学系
表面与材料实验室
6
隧道效应
• 根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位 势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在 一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁?
• 下图是相反偏压下的GaAs(110)表面上的STM像。
• 由于接收隧道电子的局域原子轨道不同，正偏压像与负偏压像 发生了位移。一个填满的孤对能带局域在As原子处，而未填充 态与Ga原子相伴随。
• 当偏压为＋1.9V的针尖越过As原子时，隧道电流达极大；而当 偏压为－1.9V的针尖越过Ga原子时，隧道电流也达到极大。若 针尖停留在某一位置扫描，则针尖偏压就可以测出样品和针尖 的局部态密度。
3
扫描探针显微镜原理
• 控制探针在被检测样品的表面进行扫描， 同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表 面的相互作用，就能得到样品表面的相关 信息。
• 显然，利用这种方法得到被测样品表面信 息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和 探针作用尖端的大小（即探针的尖锐度）
清华大学化学系
表面与材料实验室
4
STM的特点
• 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃 迁形成的电流叫做隧道电流?
• 之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电 流隧道一样?
• 隧道电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离非常 敏感，如果把距离减少0.1纳米，隧道电流就会增大一个 数量级。
清华大学化学系
表面与材料实验室
7
• R(s)＝exp(Aφ1/2s) • A＝1.025eV-1Α-1，s为
间距。结果见图7。 • 距离越大，电阻越大，
电流越小
清华大学化学系
表面与材料实验室
12
偏压极性对STM图像的影响
• 隧道电流的电子是从满态（或能带）过渡到未占态（或能带） 的。
• 隧道电压的方向决定了电子是从样品流向针尖还是从针尖流向 样品。
材料分析化学
第9讲
扫描探针显微镜
2003.12.2
清华大学化学系
表面与材料实验室
1
扫描探针显微镜
Scanning Probe Microscope，SPM
• 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope, STM
• 原子力显微镜 Atomic Force Microscope, AFM
• 当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于 样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发 生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；
• 控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算 机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形 貌图像?
清华大学化学系
表面与材料实验室
11
遂穿电阻和电流
• 遂穿电阻与针尖垂直移 动距离的关系：
清华大学化学系
表面与材料实验室
17
电子结构和STM像
• STM通常被认为是测量表面原子结构的工 具，具有直接测量原子间距的分辨率。
• 但必须考虑电子结构的影响，否则容易产 生错误的信息。
• 其实，在考虑了遂穿过程以及样品表面与 针尖的电子态的性质后，STM代表的应该 是表面的局部电子结构和遂穿势垒的空间 变化。
清华大学化学系
表面与材料实验室
13
偏压极性影响
清华大学化学系
表面与材料实验室
14
STM图象
清华大学化学系
表面与材料实验室
15
典型STM像
• STM要求扫描的范围从10nm 到1微米以上，可 以用来观察原子水平的样品形貌。
• 图6为量子点的表面形貌图。
清华大学化学系
表面与材料实验室
16
STM振幅强度与针尖和间距关系
• 1982年第一台扫描隧道显微镜问世。它的问世，使人们第 一次能够实时地观察到原子在物质表面的排列状态和与表 面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、 生命科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔的应 用背景，被科学界公认是表面科学和表面现象分析的一次 革命。
清华大学化学系
表面与材料实验室
• 激光力显微镜（LFM） • 磁力显微镜（MFM） • 静电力显微镜以及扫描热显微镜等
清华大学化学系
表面与材料实验室
2
发展历史
• 1972年发展了场发射形貌仪，针尖离样品表面10nm，高 偏压，测量场发射电流；
• 1982年解决了维持狭缝稳定的技术；高分辨定位和扫描技 术；针尖与样品距离控制技术。
• 恒高模式在高速扫描时使用，但 要求表面很光滑时才能使用。对 于粗糙表面的形貌，需要采用恒 流模式。
清华大学化学系
表面与材料实验室
9
STM仪器原理
清华大学化学系
表面与材料实验室
10
扫描隧道显微镜
• 扫描隧道显微镜又叫STM，它的基本工作原理是 利用探针与样品在近距离（<0.1纳米）时，由于 二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距 离非常敏感；
STM原理
• 如图1所示，一个原子级锐利的针尖，相对于样品加一偏 压，并位于样品表面《1纳米处。由于穿过缝隙区域的真 空势垒产生电子遂穿，在样品和针尖之间产生一个纳安级 的电流。该电流随狭缝间距的增加，以指数形式降低。
• 针尖的运动由在三个方向上的压电传感器控制，通过在传 感器上加一定的电场，使之发生变形来推动针尖的移动。 基本上每增加1V，就可以产生1nm左右的膨胀和收缩，从 而使针尖在纳米量级移动。
• 假定电子态局域在每一个原子的位置上，则测量在表面上 扫描的针尖的信号就可以给出表面原子结构图。
清华大学化学系
表面与材料实验室
8
STM原理-模式
• 结构可以用恒定电流模式画出， 这时记录的是受反馈控制的针尖 的上下运动，而在每一个x－y位 置上，隧道电流恒定不变。
• 结构也可以用恒定高度模式画出， 这时记录的是隧道电流随位置的 变化，而针尖在表面之上保持恒 定高度。
• 可以在环境气氛下进行如：大气，真空， 溶液，反应性气氛等；
• 可以从低温到高温进行分析 • 可以获得原子级别的空间分辨率； • 原子操纵工具，组装纳米结构
清华大学化学描隧道显微镜的基本原理是 基于量子的隧道效应。
• 将原子线度的极细针尖和被研 究物质的表面作为两个电极， 当样品与针尖的距离非常接近 时（通常小于0.1nm），在外 加电场的作用下，电子会穿过 两 个电极之间的绝缘层流向另 一个电极，这种现象称为隧道 效应。