扫描隧道显微镜(1)

5.场发射形貌描绘仪
探针在试件表面扫描，可根据场发射电流的大小，检测 出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研究， 发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可 产生隧道电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他 们观察到的Is和Vb间为线性关系时，估计针尖-试件间的距离 为1.2nm。可惜他们的研究到此为止，虽然已经有了以上发 现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项重 大发明失之交臂，甚为可惜。
恒高度模式
• 在扫描过程中保 持针尖的高度不 变，通过记录隧 道电流的变化来 得到样品的表面 形貌信息。这种 模式通常用来测 量表面形貌起伏 不大的样品。
隧道针尖
• 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问 题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也 影响着测定的电子态。
图 是 STM 的 基 本 原理图，其主要构成有： 顶 部 直 径 约 为 50— 100nm 的 极 细 金 属 针 尖 ( 通常是金属钨制的 针尖 ) ，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电 陶 瓷 (Px ， Py ， Pz) ， 以及用于扫描和电流反 馈 的 控 制 器 (Controller)等。
• 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：
T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m 有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加， T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观 察到粒子隧穿势垒的现象。
• 扫描隧道显微镜的基本 原理是将原子线度的极 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 (通常小于1nm) 时， 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。
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。
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。 一些新式的轮廓仪配备了 X 、 Y 双向精密微动工作台，探针在 试件表面进行X、Y双向往复扫描， 再用计算机处理信息，可以得到 表面微观形貌的三维立体图像。 这种轮廓仪的检测原理和近代的 STM、SPM和AFM极为相似，只 是后者使用了更尖锐的探针和更 灵敏的探针位移检测方法。
磁力显微镜（MFM） 摩擦力显微镜（LFM） 静电力显微镜（EFM） 弹道电子发射显微术（BEEN） 扫描离子电导显微镜（SICN） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTN） 扫描近场光学显微镜（SNOM） 在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微 镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技 术的发展提供了很好的技术支持。
• 隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数 依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加 约一个数量级。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 维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的 工作原理。
STM的结构
（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝 等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）
• 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以及平均功函数Φ有关：
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ，Φ1和Φ2分别为 针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1）
世界上第1台扫描隧道显微镜
世界上第1台扫描隧道显微镜
世界上第1台扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜的发明
由于STM具有极高的空间分辨能力 (平行方向的分辨率为 0.04nm ，垂直方向的分辨率达到 0.01nm) 、它的出现标志着 纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技 术研究的正式起步，因为在此之前人类无法直接观察表面上的 原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。 利用 STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小
扫描隧道显微镜的局限性:
• 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，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. • 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本 无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电 层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨 率。 • 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动， 探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。
他们发明的所谓形貌描绘仪只能永远地在历史上被记载为一种最接
近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾认真研究改 进他们的仪器，并试验过一些办法，但收效甚微。他曾一度想到了
隧道效应，并还讨论了谱图学方向的应用，但唯独没有想到应用到
他的形貌描绘以上。仅此一步没有深入下去，就使他们和一项重大 科技发明失之交臂，而空自叹息。
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）
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
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上
的进化。扫描隧道显微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微 观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术了，只是分 辨率较低。表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类： •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
结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体 内的单个蛋白质和 DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手 术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原 子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型 量子器件。
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜的工作原理
STM的工作方式
恒电流模式 恒高度模式
恒电流模式
• x-y方向进行扫描，在z方向加 上电子反馈系统，初始隧道电 流为一恒定值，当样品表面凸 起时，针尖就向后退；反之， 样品表面凹进时，反馈系统就 使针尖向前移动，以控制隧道 电流的恒定。将针尖在样品表 面扫描时的运动轨迹在记录纸 或荧光屏上显示出来，就得到 了样品表面的态密度的分布或 原子排列的图象。此模式可用 来观察表面形貌起伏较大的样 品，而且可以通过加在z方向上 驱动的电压值推算表面起伏高 度的数值。
4.扫描电子显微镜（SEM）
SEM从20世纪60年代开始应用以来，使用日渐广泛。它的工作原理是利 用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描，激发二次放电，利用二次放电 信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。 SEM的放大倍率在10-150 000范围内连续可调，试件在真空室中可按观察需 要进行升降、平移、旋转或倾斜。 SEM在普通热钨丝电子 枪条件下，分辨率为5-6nm， 如用场发射电子枪，分辨率 可达2-3nm。SEM的景深很 大，对表面起伏很大的形貌 也能得到很好的图像。只是 放大倍数较低，达不到原子 级的分辨率。
• 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率， 从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的 尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧 道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。 针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针 尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的 阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二 者就发生碰撞。
• 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。
隧道针尖
• 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成 型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合 金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱 合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切 而成。
扫描隧道显微镜下图
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
源自文库
3
工作 原理
4
在STM基础上发展起来的各种新型显微镜
STM的工作原理
• 扫描隧道显微镜的工作原理是 基于量子力学中的隧道效应。 对于经典物理学来说，当一个 粒子的动能E低于前方势垒的高 度V0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 子可以穿过比它能量更高的势 垒，这个现象称为隧道效应。
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。
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。 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
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
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3
工作 原理
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扫描隧道显微镜的发明
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔 研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）．STM使人类第一次能够实时地观察 单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物 化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中 有着重大的意义和广泛的应用前景，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．为表彰STM的发明者们对 科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺 贝尔物理学奖金．
5.场发射形貌描绘仪
场发射原理在 1956 年由 R.Young 提出，但直到 1971 年 R.Young 和 J.Ward 才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。 它在基本原理和操作上，是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。 探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压电陶瓷驱动，做X向和Y 向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上，由反馈电 路控制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲 率半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为 100nm 。在试件 上加正高压后，针尖与试件间产生场发射电流。
Gerd Bining
Hernrich Rohere
扫描隧道显微镜的发明
在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假如R.Young（场 发射形貌描绘仪的发明者）能够及时意识到真空中隧道效应的重要 性，假如他能及时想到缩小针尖与试件表面间的距离，那么STM公 布发表时的发明人名字就是 R.Young了。遗憾的是，他们没有意识 到这一点，更没有去缩短那一点微不足道的该死的微小距离，于是