扫描隧道显微镜(STM)

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扫描隧道显微镜STM

扫描隧道显微镜STM
5)可在真空、大气、常温等不同环境下工作,样品甚 至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且 探测过程对样品无损伤.这些特点特别适用于研究生 物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价,例如 对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中 电极表面变化的监测等。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 可实时得到实空间中样品表面的三维图像,可用 于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究,这 种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研 究.
3) 可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是对 体相或整个表面的平均性质,因而可直接观察到表面 缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置,以及由 吸附体引起的表面重构等.
式中,I表示隧道电流,Ф表示有效局部功函数,d表示样品 与针尖间的距离,m为电子质量,h为普朗克常数。 在典型条件下,Ф近似为4eV,k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm,隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ,隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表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。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT), 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变,将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。

扫描隧道显微镜STM

扫描隧道显微镜STM
单分子化学反应已经成为现实
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标,但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中,STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键,形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时,他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上),这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
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2.STM的原理
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。
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2.STM的原理
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。
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溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
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图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时,在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时,在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。

扫描隧道显微镜实验报告

扫描隧道显微镜实验报告

扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告引言:扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种重要的纳米尺度观测仪器,它通过利用量子隧穿效应来实现对表面原子的成像。

本实验旨在通过使用STM来观察和研究不同样品表面的原子结构和性质,以及探索STM在纳米科学和纳米技术领域的应用前景。

实验方法:1. 样品制备:选择不同材料的样品,如金属、半导体或绝缘体,并进行表面处理,如抛光或清洗,以确保表面平整和干净。

2. STM装置设置:将STM装置连接至计算机,并进行相关设置,如校准扫描范围和调整扫描速度等参数。

3. 样品安装:将样品固定在样品台上,并确保其与STM探针的接触良好。

4. 扫描图像获取:通过控制STM探针的运动,以及调整扫描电压和电流等参数,获取样品表面的原子级分辨率图像。

5. 数据分析:利用专业的STM图像处理软件对所获得的图像进行分析和处理,以提取样品表面的结构和性质信息。

实验结果与讨论:通过对不同样品进行STM观察,我们可以得到高分辨率的原子图像。

以金属样品为例,我们观察到了其表面的原子排列规律,如金属晶体的晶格结构。

通过测量原子之间的间距,我们可以获得样品的晶格常数,并进一步研究其晶体结构和晶体缺陷等特性。

在半导体样品的观察中,我们可以发现其表面的原子排列存在一定的有序性,但与金属样品相比,半导体样品的表面结构更为复杂。

通过对半导体晶体表面的原子分布进行分析,我们可以了解其晶体生长过程中的缺陷形成机制,并为半导体器件的制备和性能优化提供重要参考。

此外,我们还观察到了绝缘体样品的表面结构。

与金属和半导体样品不同,绝缘体样品的表面原子排列更为松散和无序。

通过对绝缘体样品表面的原子间隙进行测量,我们可以得到绝缘体材料的晶格参数和晶体结构信息,为其性质研究和应用提供基础。

扫描隧道显微镜不仅可以提供原子级分辨率的表面图像,还可以通过在不同扫描位置测量电流变化来研究样品的电子态密度分布。

扫描隧道显微镜 原理

扫描隧道显微镜 原理

扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是基于量子力学的隧穿效应,利用一根金属针尖作为探针,与样品表面形成两个电极。

当针尖与样品表面的距离非常接近(通常小于1nm)时,电子云重叠,并在它们之间施加电压,此时电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,形成隧道电流。

隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系,因此当针尖沿物质表面扫描时,由于表面原子凹凸不平,使探针与物质表面间的距离不断改变,从而导致隧道电流不断变化。

这种电流变化反映了样品表面的原子级凹凸形态,将电流的这种变化图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。

扫描隧道显微镜具有超高的分辨率,横向分辨率达0.1nm,纵向分辨率达0.01nm,使人类第一次在实空间观测到样品表面的原子排布状态。

它对表面科学、纳米科学、生物医学等科学技术的研究和发展具有里程碑式的意义,被公认为上世纪八十年代世界十大科技成就之一。

扫描隧道显微镜的工作原理与应用

扫描隧道显微镜的工作原理与应用

扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。

它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。

STM具有非常高的分辨率,能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵,因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。

一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。

隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。

在STM中,金属探头和样品之间形成一个电势差,并使用一个反馈电路来保持电流恒定。

隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。

探头与样品之间的距离非常小,约为几个纳米,隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。

当探头在样品表面上移动时,由于样品表面具有不同的高度和电性特征,因此隧穿电流的大小也会发生变化。

这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息,然后通过计算机处理并呈现出来。

样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。

二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域,如表征材料表面和分析材料电子结构等。

在纳米材料研究中,STM可以检测材料中的特定原子和分子,并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。

B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。

它可以研究各种表面效应,例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。

此外,STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。

C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。

纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。

通过STM可以定量地观察单个原子和分子,这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。

D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。

在生物领域,STM可用于研究DNA分子的结构和功能,以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。

E.电子学STM还可以用作电子学中的电极,例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。

扫描隧道显微镜原理

扫描隧道显微镜原理

扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜(STM)是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜,它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。

STM是一种非常重要的显微镜,它可以在原子尺度上观察表面的原子结构,被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。

本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。

扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。

当一个尖端探针靠近样品表面时,尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。

这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关,当探针移动时,电流的大小也会发生变化。

通过测量这个隧穿电流的变化,可以得到样品表面的拓扑结构信息。

在STM中,尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上,可以在样品表面来回扫描。

当探针靠近样品表面时,由于隧穿效应,会产生隧穿电流。

探针和样品之间的距离非常小,通常在纳米尺度,这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。

通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小,可以得到样品表面的原子结构信息。

扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为,首先,将尖端探针放置在样品表面附近,然后通过控制尖端探针的位置,使其在样品表面上来回扫描。

在扫描的过程中,测量隧穿电流的大小,并将这些数据转换成图像,就可以得到样品表面的拓扑结构信息。

通过对这些图像的分析,可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。

扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力,可以在原子尺度上观察样品表面的结构。

它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用,可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。

同时,随着技术的不断进步,STM的分辨率和稳定性也在不断提高,为科学研究提供了强大的工具。

总之,扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜,利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。

它具有高分辨率、原子尺度的观测能力,被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。

扫描隧道显微镜(STM)PPT课件

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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)
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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
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。
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△ 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- 100μm) 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 1-100Hz)
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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:
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则:dI/ds ∝ ko∝φ1/2 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
例: 微杠杆由25μm金箔作成,重量10-10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10-3-10-5 nm 则有:F = kΔz

STM扫描隧道显微镜

STM扫描隧道显微镜

STM扫描隧道显微镜几十年来,人类研制成功了许多用于表面结构分析的现代仪器.例如光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、电子探针、衍射仪、能谱仪等等。

这些物理技术在表面科学研究领域都起着重要的作用;但它们的物理原理不同,作用范围、精度、环境条件等都不尽相同。

也就是说,每一种技术对表面微观结构观察与分析都有它自己的特长与意义,但每一种技术都必然受着自身原理的条件限制,只能在一定的领域内开展工作。

例如光学显微镜受其分辩率的影响无法分辩出表面的原子;高分辩率的透射电子显微镜(TEM)主要用于薄层样品的体相和界面研究。

X射线的光电子能谱等只能提供空间平均电子的电子结构信息;有的技术只能获得间接结果,还需要用试差模型来拟合等等。

虽然人们早就知道物质是由分子和原子组成的,但这大多是通过实验间接验证的。

1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer博士研制成世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)。

它的出现,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物理、化学性质。

而且在其测量过程中不会对样品形成任何损伤。

其惊人的原子分辩能力已被广泛地应用于材料科学、微电子科学、纳米加工技术等领域。

[实验原理]扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。

见图1:图1当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时,根据经典力学理论,粒子不可能穿过此势垒,即透射系数等于零。

但按照量子力学原理,粒子越过势垒区而出现在另一边的几率不为零,这个现象称为隧道效应。

实验中,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)见图2:在外加电场作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

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: )21exp(S A b V I Φ−∝(1) b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数),21(21Φ+Φ⋅≈Φ1Φ和2Φ分别为针尖和样品表面的功函数。

扫描隧道显微镜的操作流程

扫描隧道显微镜的操作流程

扫描隧道显微镜的操作流程操作流程扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)是一种常用于原子级表面观测和纳米尺度制造的仪器。

本文将介绍STM的操作流程,包括样品准备、仪器调试和数据采集等步骤。

一、样品准备1. 清洗样品:将待观察的样品通过超声波清洗仪清洗数分钟,去除表面污染物,如灰尘、油脂等。

2. 热处理样品:将样品放入高真空炉中,进行热处理。

热处理温度的选择根据具体的实验目的而定,一般在几百摄氏度到一千摄氏度之间。

3. 离子轰击样品:使用离子轰击仪对样品表面进行轰击,以去除表面氧化物、有机物以及其他杂质。

轰击时间和能量的选择取决于样品的材料和质量。

二、仪器调试1. 真空泵抽气:将STM放入真空环境中,打开真空泵进行抽气,将压力降低到合适的范围,通常是10^-9帕以下。

2. 针尖制备:使用聚焦离子束法制备STM探针针尖。

将探针放入离子束中,通过离子束的刻蚀作用,使针尖变得尖锐。

3. 标定扫描:将STM的探针放置在标定样品上,根据标定样品上已知的原子尺寸或结构进行扫描,调整STM的参数直至获得清晰的图像。

三、数据采集1. 调整扫描参数:根据实验要求,调整STM的扫描速度、扫描范围和增益等参数,以获得所需的图像细节。

2. 预扫描:在待观察样品的区域进行预扫描,观察样品的整体特征。

根据预扫描的结果,选择感兴趣的区域进行进一步的扫描。

3. 原子分辨扫描:选择感兴趣的区域进行高分辨扫描,以获取样品表面的原子级分辨图像。

根据扫描结果,可以进一步研究样品的表面形貌、晶格结构等特征。

4. 数据分析:采集到的图像可以通过图像处理软件进行数据分析和处理,如测量原子间距、表面粗糙度等物理参数。

四、实验结束1. 数据保存:将采集到的数据进行保存和备份,以便后续数据分析和报告撰写。

2. 仪器关闭:在实验完毕后,将STM的电源关闭,并进行仪器的清理和维护工作。

3. 实验记录:详细记录实验过程和观察结果,包括样品信息、仪器参数、扫描图像等内容。

扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍

扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍

扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)和原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。

它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性,能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。

本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。

一、扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。

它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。

当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时,由于量子隧穿效应的存在,探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面,形成一晶格单位长度上的隧穿电流。

通过控制探针和样品之间的距离,并测量隧穿电流的变化,就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。

STM的应用非常广泛。

首先,它可以用于表面形貌的观察和测量。

利用STM的纳米尺度分辨率,可以研究材料表面的形貌结构,比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。

其次,STM可以用于电子能级的探测。

通过测量隧穿电流的大小和变化,可以了解样品的电子性质,比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。

另外,STM还可以用于表面化学反应的研究。

通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段,可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。

二、原子力显微镜(Atomic Force Microscope,简称AFM)AFM是由盖柏勒(Gerd Binnig)和罗隆德(Heinrich Rohrer)于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。

它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。

AFM采用非接触的方式,将探针尖端靠近样品表面,并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度,来推测表面的形貌和性质。

什么是扫描隧道显微镜

什么是扫描隧道显微镜

什么是扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,缩写为STM)是一种扫描探针显微术工具,它可以让科学家观察和定位单个原子,具有比同类原子力显微镜更高的分辨率。

STM在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

扫描隧道显微镜利用量子力学中的隧道效应,当扫描针尖在样品表面上方沿z轴来回扫描时,由于针尖和样品之间的距离非常近,使得针尖和样品之间产生隧道效应,从而获得表面形貌的微细结构信息。

扫描隧道显微镜具有原子级(埃级)的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率,成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。

STM在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。

如需了解更多有关扫描隧道显微镜的信息,可以查阅相关的专业文献,或者咨询相关领域的专家学者。

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜

STM的原理及其应用摘要:近年来,人类在纳米科技领域内的研究取得了引人瞩目的成就。

而扫描隧道显微镜(STM)是纳米科技发展的重要基础。

STM系统的出现首次成功实现了对原子实际空间图像的观察,促进了人类对微观领域的认知,推动了纳米科技的发展。

本文主要介绍了STM的原理、系统结构极其应用。

1扫描隧道显微镜(STM)的概述[1,2,3]1.1扫描隧道显微镜(STM)的发展1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,以下简称STM)。

它的出现,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理、化学性质,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阔的应用前景,被国际科学界公认为八十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的杰出贡献,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。

而在1988年,白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜,这一科研成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。

1993年初,白春礼和超导专家赵忠贤合作退出了我国第一台STM,对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。

STM在表面吸附和实用材料的研究中占有特殊地位。

STM可以清晰观察到原子簇化合物和有机金属化合物在不同晶体的吸附和扩散;在实用材料的表面结构研究中,包括高温超导材料的表面原子排列和能谱的研究,金属卤化物的高分辨率表面结构的研究,晶体生长动力学的研究等等,STM都具有不可代替的作用。

尤其值得一提的是,利用STM技术实现了室温下单电子隧穿效应。

所谓电子隧穿就是让电子“排好队”,一个接着一个地通过介观尺度(指10-9—10-7的长度)的结构。

扫描隧道显微镜的组成

扫描隧道显微镜的组成

扫描隧道显微镜的组成
扫描隧道显微镜(STM)的组成主要包括以下部分:
1.针尖:这是STM最关键的部件之一,它由非常细的单晶金属丝(通常为钨或铂)制成,其尖端的曲率半径通常在几个埃(Angstroms)的范围内。

针尖的制备是STM制造中的一项关键技术,通常需要经过多道精密的加工和清洗步骤才能获得高质量的针尖。

2.扫描器:它由一组精密控制的马达和反馈系统组成,用于驱动针尖在样品表面进行精确的扫描。

扫描器通常包括X、Y和Z方向的控制器,以实现三维空间的扫描。

3.电子系统:STM的电子系统负责控制和调节隧道电流,以及处理和显示从STM获得的信号。

电子系统通常包括电源、信号发生器、放大器、控制器和显示器等部分。

4.样品台:样品台是放置样品的平台,它能够实现精确的移动和定位。

在实验过程中,样品台负责固定样品并对其进行扫描。

5.环境控制系统:为了保证STM的正常运行和延长其使用寿命,通常需要维持一定的环境条件,如温度、湿度和清洁度等。

环境控制系统负责监测和控制这些条件,以确保STM的正常运行。

总的来说,扫描隧道显微镜通过高精度的控制技术实现纳米级的观察能力,已经成为表面科学、凝聚态物理、纳米技术等领域中非常重要的研究工具。

扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术

扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术
STM原理被G.Binning和 H.Rohrer在IBM苏黎世实验室 发明。
1985年
STM被授予诺贝尔物理学奖。
2000年
单原子操纵技术取得突破。
STM技术的应用领域
01
02
03
04
材料科学
研究表面结构、化学组成、电 子态等。
物理
研究表面物理现象,如表面量 子现象、表面相变等。
纳米科技
制造和操纵纳米结构,如纳米 电路、量子点等。
05 结论
STM和单原子操纵技术的重要性和意义
揭示物质表面结构和性质
STM通过测量隧道电流能够精确地探测物质表面的原子结构,而单原子操纵技术则能够实现对单个原子的精确操控, 这对于深入理解物质表面结构和性质具有重要意义。
促进纳米科技和材料科学的发展
STM和单原子操纵技术为纳米科技和材料科学领域的研究提供了强有力的工具,有助于推动相关领域的技术创新和 进步。
生物医学
研究生物分子结构和功能,如 蛋白质、DNA等。
02 STM的组成和工作原理
STM的组成
针尖
通常由钨或铂-铱合金制成,针尖的形状和 尺寸对STM的分辨率和成像质量至关重要。
扫描隧道显微镜主体
包括扫描隧道显微镜的控制器、扫描隧道显微镜的 信号处理系统、扫描隧道显微镜的电源系统等。
计算机系统
用于控制STM的扫描、采集和显示图像。
扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵 技术
contents
目录
• STM技术概述 • STM的组成和工作原理 • 单原子操纵技术 • STM在单原子操纵中的应用 • 结论
01 STM技术概述
STM技术的原理
隧道效应
当两个导电物体非常接近时,一 个带电粒子的隧道效应可以穿过 它们之间的势垒,从一导电体流 向另一导电体。

扫描隧道电子显微镜

扫描隧道电子显微镜

扫描隧道电子显微镜扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope,缩写为STM),亦称为扫描穿隧式显微镜,是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。

它于1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。

此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。

它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。

此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操扫描隧道显微镜纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

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。

2 基本结构2.1 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。

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。

扫描隧道显微镜原理

扫描隧道显微镜原理

扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种利用隧道效应实现原子尺度分辨率的显微镜。

其原理基于尖端和样品之间存在的隧道电流。

STM主要由扫描探头和表面的样品组成。

探头的尖端通常由
金属制成,尖端尺寸非常小,只有几个原子大小。

样品表面通常是导体,如金属或半导体。

当探头与样品非常接近时,尖端和样品表面之间会产生一个微小的隧道间隙。

由于量子力学的量子隧道效应,即使隧道间隙非常窄,也可以允许电子从尖端隧道到样品表面。

为了保持探头和样品间的恒定隧道电流,STM中的探头是以
非常小的步长在样品表面进行扫描。

在每个位置,测量和控制系统会调整探头高度,以保持隧道电流的恒定。

根据隧道电流的变化情况,可以得到样品表面的形貌信息。

当尖端在不同的位置上进行扫描时,可以得到一个二维图像,显示出样品表面的原子排列情况。

由于STM的原理基于隧道电流,因此只有在样品表面是导体
的情况下才能使用。

此外,由于隧道电流十分微弱,所以要求实验环境必须非常安静并且稳定。

总之,扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现原子尺度的高分
辨率观测。

通过测量隧道电流的变化,可以得到样品表面的形貌信息,从而揭示出微观尺度下的材料特征。

1 扫描隧道显微镜(STM)

1 扫描隧道显微镜(STM)

1 扫描隧道显微镜(STM)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。

这种现象即是隧道效应。

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:V b是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数,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。

扫描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导电性才可以产生隧道电流。

由上式可知,隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感,如果距离S 减小0.1nm,隧道电流I 将增加一个数量级,因此,利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定,并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描,则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏,见图1(a)。

将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来,就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。

这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品,且可通过加在z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值,这是一种常用的扫描模式。

对于起伏不大的样品表面,可以控制针尖高度守恒扫描,通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。

这种扫描方式的特点是扫描速度快,能够减少噪音和热漂移对信号的影响,但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。

(a)(b)从式可知,在V b和I 保持不变的扫描过程中,如果功函数随样品表面的位置而异,也同样会引起探针与样品表面间距S 的变化,因而也引起控制针尖高度的电压V z的变化。

如样品表面原子种类不同,或样品表面吸附有原子、分子时,由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数,此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏,而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。

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图9-4
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图9-5
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
(一)微悬臂(力传感器) (二)微悬臂变形的检测方法
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(一)微悬臂(力传感器)
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量,首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
(1)弹性系数k值应在10 -2~10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力,一般针尖曲率半径为30 nm
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(二)微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的,并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
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三、原子力显微镜的成像模式
(一)接触成像模式 (二)非接触成像模式 (三)轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同,STM不采用任何光学或电子透镜 成像,而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时,利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系, 获得原子级样品表面形貌特征图像,其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50~100 nm的极细金属探针(通常是金属钨制作 的针尖),功能是在其与样品互相作用时,可根据样品性质的不同 (如表面原子的几何结构和电子结构)产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时,针尖与样品表面距离一般约为0.3~1.0 nm, 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时, 电子就因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖);金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗(P x、P y、 P z)架上,当在压电陶瓷器件上施加一定电压时,由于压电陶瓷 器件产生变形,便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描;控制器是用 STM
恒电流模式是扫描隧道显微镜最常用的一种工作模式。以恒电流模式 工作时,由于STM的针尖是随着样品表面的起伏而上下运动,因此 不会因表面起伏太大而碰撞到样品表面,所以恒电流模式适于观察表
面起伏较大的样品。以恒高模式工作时,由于针尖的高度恒定不变,
所以仅适用于观察表面起伏不大的样品。但在恒高模式下工作,获取 STM图像快,且能有效地减少噪音和热漂移对隧道电流的干扰,提
由式(9-1)可知,隧道电流对针尖和样品表面间距离的变化是非常 敏感的,换句话说,隧道电流I对样品表面的微观起伏特别敏感。当 距离S减小0.1 nm时,隧道电流I将会增加10倍;反之,将减小10
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二、扫描隧道显微镜的工作模式
STM有两种不同的工作
模式,即恒电流模式(图9-2a)和恒高模式(图9-2b
原子力显微镜是一种类似于扫描隧道显微镜的显微技术,它的仪器构 成(机械结构和控制系统)在很大程度上与扫描隧道显微镜相同。如 用三维压电扫描器,反馈控制器等。它们的主要不同点是扫描隧道显 微镜检测的是针尖和样品间的隧道电流,而原子力显微镜检测的是由 针尖和样品间的力而产生的微悬臂的形变。因此原子力显微镜具有两 个独特的部分:对微弱力敏感的悬臂和力检测器。它们的工作原理如 图9-4所示。
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9.2 原子力显微镜(AFM)
一、原子力显微镜的工作原理 二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检
测方法 三、原子力显微镜的成像模式 四、原子力显微镜的应用
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一、原子力显微镜的工作原理
原子力显微镜使用一个一端固定,另一端装有针尖这样一个对微弱力 敏感的悬臂。当针尖(或样品)扫描时,由于针尖和样品间的相互作 用力(可能是吸引力,也可能是排斥力)将使悬臂产生微小偏转(形 z轴方向的位置,以保证在整个扫描过程中悬臂的微小偏转值不变, 即针尖与样品间的作用力恒定。测量高度z随(x、y 就可以得到样品表面的形貌图像。目前,利用原子力显微技术已获得 了许多晶体的原子分辨率图像(见图9-5)。
第九章 其他分析方法简介
9.1 扫描隧道显微镜(STM) 9.2 原子力显微镜(AFM) 9.3 离子探针(SIM) 9.4 原子探针-场离子显微分析 9.5 穆斯堡尔谱法 9.6 核磁共振(NMR)及其应用
9.1 扫描隧道显微镜(STM)
一、扫描隧道显微镜的基本原理 二、扫描隧道显微镜的工作模式 三、扫描隧道显微镜的特点及应用
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
隧道电流与针尖-样品间偏压、针尖和样品之间距离、平均功函数之 间的关系可表示为:
I∝Vbexp (-AΦ1/2·S)
(9-1
Байду номын сангаас
式中,Vb为针尖与样品间施加的偏压;A为常数,在真空条件下约 等于1;Φ为针尖与样品的平均功函数;S为针尖与样品表面间的距 离,一般为0.3~1.0 nm
利用扫描隧道显微技术,不仅可以获取样品表面形貌图像,同时还可 以得到扫描隧道谱。利用这些谱线可对样品表面显微图像作逐点分析, 以获得表面原子的电子结构(电子态)等信息。
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图9-2
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三、扫描隧道显微镜的特点及应用
与TEM、SEM (1)STM结构简单,其实验可在多种环境中进行:如大气、超高真
空或液体(包括在绝缘液体和电解液中),且工作温度范围较宽(从 绝对零度到上千摄氏度)。这是目前任何一种显微技术都不能同时做
(2)具有高分辨率,扫描隧道显微镜的水平和垂直分辨率可以分别 达到0、1 nm 0、01 nm
(3)在观测材料表面结构的同时,可得到材料表面的扫描隧道谱 (STS
应用实例: (一)材料表面结构特征研究 (二)材料表面结构变相研究 (三)液-固界面的电化学研究 (四)分子膜、吸附物及表面化学研究
(2)具有高的固有频率,以便在扫描过程中可跟随样品表面轮廓起 伏的变化。通常在一次扫描中起伏信号的频率可高达几kHz。因此, 微悬臂的固有频率必须大于10 kHz
(3)为满足力弹性系数小且固有频率高的条件,悬臂的质量必须很 (4)具有足够高的侧向刚性,以便克服由于水平方向摩擦力造成的 (5)悬臂的前端必须有一尖锐的针尖,以保证能灵敏地感知它与样
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