STM

2. 扫描机构，主要由压电陶瓷元件构成。控制 加在压电陶瓷元件上电压的大小，可实现扫 描范围的变化。大范围扫描采用层迭柱形压 电元件，小范围扫描采用薄壁圆筒形压电陶 瓷元件。压电元件振荡频率应在1~20KHz之 间，使之不会干扰扫描速度的变化。 3. 粗动机构的作用，是把探针和试件表面的间 距从几毫米缩小到1nm，并能保持试件的精 确定位。根据观察对象和观测环境不同选择 不同机构。
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM）
美国商用机器公 司 利 用 STM 直 接 操作原子，成功 地在Ni板上，按 自己的意志安排 原子合成 IBM 字样
Fe原子在 基板上原子像(IBM) 原子在Cu基板上原子像 原子在 基板上原子像( )
原子 / 分子 搬运
分辨率
工作环境
样品环境 温度
对样品破 坏程度
检测程度
STM
原子级（垂直0.01nm，横 0.01nm 向0.1nm）
大气，溶液 真空
室温或低 温
无
1 2 1～2个原 子层
TEM
点分率(0.3~0.5nm)晶格分 率（0.1～0.2nm）
高真空
低温
小
一般小于 100nm
5.STM仪器的关键技术
• STM由探针，扫描机构、粗动机构、除振系统 等机械机构和控制、测试、信号处理等电子系 统构成。 1. 探针，一般用钨或铂等材料制作，对探针尖端 形状要求由测试对象决定。表面性状测试要求 尖端半径在0.1 μm 以下。观察表面原子像要 求尖端由一个原子构成。目前采用的方法是先 进行精细的机械研磨，再作电解研磨。
1.
隧道效应
粒子能穿透比它能量更高的势垒的现象
2. 电子的隧道效应
在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就成为一 个电子的“隧道结”。如Al/Al2O3/Sn隧道结,是在 玻璃片基上沉淀一铝箔，在高温中使其表面氧化， 然后再沉淀一层Sn箔。Al和Sn箔厚约100－300nm。 绝缘层Al2O3厚约1－2nm。但实验发现电流可以通 过这个隧道结，即电子可穿过绝缘层。 I. Giaever于1961年首先用这种器件发现了超导体 中正常电子的隧道效应。
Ag on Ag(111)
Cu on Cu(111)
Year 2000 ----CO on Cu(211)
Gerd Binning (IBM) (1947-) Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)
In Touch with Atoms In Touch with Atoms
6.STM的应用范围
• 从观测对象看，STM以观测层状晶体、半导 体、金属、超导体为主，对电化学现象、生 物细胞、高分子材料的研究等都是十分理想 的工具。尤其对包括轻元素在内的原子排列 的研究报告已不乏其例。 • 应用STM装置，最容易观测的对象是空气中 化学稳定性好、劈开面光滑的层状晶体。对 金属表面的观测，现以原子级平滑度的金属 表面为主要研究对象。
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4. 使用STM进行表面测试时，探针和试件间的 间距控制精度要求达到0.1nm。因此任何微 小的振动都会对仪器的稳定性产生影响。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。 5. 电子系统的主要作用是控制探针和试件的距 离变化驱动探针做x,y方向的扫描，提取处 理隧道电流信号和陶瓷压电元件上的电压间 信号，进行三维图象的显示。STM对使用的 电子元器件的技术特性要求很高。
1 2 I ∝ Vb exp − Aφ S
• Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平 均功函数 • A 为常数，在真空条件下约等于1。 • Φ为物质表面的平均功函数 • S是针尖和样品之间距离 • I是隧道电流
• 由此公式可知，隧道电流与间距S成指 数关系，I对S的变化非常敏感。因此， 根据隧道电流的变化，我们可以得到样 品表面微小的高低起伏变化的信息，如 果同时对x,y方向进行扫描，就可以直接 得到三维的样品表面行貌图。 • 常用的扫描模式主要有恒流模式和恒高 模式。
STM在纳米科技中的应用几例
1. 用STM制造并测量介观系统 • 介观系统(纳米系统): 研究尺度和物性都 介于宏观和微观系统之间。 • 具体实验:把清洁的STM的针尖插入清洁、 有序的Au(001)样品,可以构成金属量子 点接触,在针尖插入的过程中点接触的宽 度会渐渐增大,从而其电导会上升。
2.利用STM进行表面纳米加工
Background difference d2I/d2V spectra for C2H2(1) and C2D2(2), taken with the same STM tip.
Spectroscopic spatial imaging of the inelastic channels for C2H2 and C2D2. (A) Regular STM image of a C2H2(left) and a C2D2(right). d2I/d2V images of the same area recorded at (B) 358mV, (C) 266mV,and (D) 311mV.
Single-molecular vibrational spectra obtained by STM-IETS, showing the C-O stretch of Fe(CO) and Fe(CO)2.
25 A
Cu(CO)
Fe(CO)
Cu(12C16O)(13C18O)
Fe(12C16O)(13C18O)
(A) I-V curves recorded with the STM tip directly over the center of molecules (1) and over the bare Cu surface (2). (B) dI/dV from the lock-in amplifier recorded. © d2I/d2V recorded at the same time as the data in (B)
常用扫描模式: 恒流模式和恒高模式
• 恒流模式： x,y方向起着 扫描作用，而Z方向具有 一套反馈系统，初始的隧 道电流为一恒定值，当样 品表面凸起时，针尖就会 后退，以保持隧道电流的 值不变；当样品表面凹进 时，反馈系统将使针尖向 前移动，计算机记录了针 尖上下移动的轨迹，合成 起来，就可给出样品表面 的 三 维 行 貌 图 。
• 恒高模式： x,y方 向仍起着扫描的 作用，而Z方向则 保持水平高度不 变，由于隧道电 流随距离有着明 显的变化，只要 记录电流变化的 曲线，就可以给 出高度的变化
4. STM的特性
• STM最值得称道的特性，是它具有极高 的空间分辨率。一般来说，垂直分辨率 达0.01nm，具有当代最高测试精度。 • STM的另一显著特性，是它可在多种环 境中使用。它不仅能在真空中观测，而 且在大气中，在液体中乃至许多气体中 也能进行观测；它不仅能在常温，而且 在高低温下也能使用。
Energy Levels of tip
Vacuum Barrier Empty States
Energy Levels of sample
Empty States
Filled States
Filled States
e V
3.扫描隧道显微镜（STM）原理
• 扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用 量子理论中的隧道效应。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 样品与针尖的距离非常接近时（通常小于 1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两 个电极之间的势垒流向另一电极，在探针和 试件间会产生一微弱电流，通常称为隧道电 流。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与 针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 Φ 有关:
Metal carbonyl formation
Schematic diagrams showing the different steps in the formation of a single bond with the STM
63A
A sequence of STM topographical images recorded at 13K to show the formation of Fe-CO bond with the prescribed method(left).
Single bond sensitivity
(A) STM image of a C2H2 molecules on the Cu(100) surface at 8K.(B) The molecule in (A) was transferred to the tip by means of a voltage pulse, and the same area was scanned. (C) The atoms in (B) were fitted to a lattice.(D) Schematic drawing showing side and top views of the molecule’s orientation and suggested adsorption site.
3.利用STM操纵纳米尺度结构
Au on AlNi(110) at 12k STM自组装Au20过程