扫描隧道显微镜(STM)

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
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
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。
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
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Байду номын сангаас像模式 （三）轻敲成像模式
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
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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
（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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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
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
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
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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）。