扫描隧道显微镜分析STM

图2 金属表面与针尖的电子云图
2、隧道电流的产生
当样品与针尖的距离非常小（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，隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的电子 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
1
I V b exp( A Φ 2 S )
4、STM的结构和工作模式
图3 STM的结构
STM的工作方式
图4 恒流模式

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。
In Touch with Atoms
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
2.STM的原理
1、 隧道效应
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。 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：
STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构、 面结构及有吸附质覆盖后表面的重构结构，还可以观察到表 面存在的原子台阶、平台、坑等结构缺陷。
4..STM在纳米分析中的应用
实现了单原子和单分子操纵
利用STM针尖与吸附在材料 表面的分子之间的吸引或排斥作 用，使吸附分子在材料表面发生 横向移动，具体又可分为“牵 引”、“滑动”、“推动”三种 方式 通过某些外界作用将吸附分 子转移到针尖上，然后移动到新 的位置，再将分子沉积在材料表 面 通过外加一电场，改变分子 的形状，但却不破坏它的化学键
Ni板氙原子排成IBM
Ag on Ag(111)
Cu on Cu(111)
CeO2(111)和 CeO2(100) 纳米粒子在被氧化的Cu(111) 基体上的生长
5.参考文献
【1】纳米材料分析 2003 黄惠忠 【2】扫描探针显微镜在材料表征的应用 2010褚宏祥 【3】CeO2 T CuOx Interactions and the Controlled Assembly of CeO2(111) and CeO2(100) Nanoparticles on an Oxidized Cu(111) Substrate 2011 《PHYSICAL CHEMISTRY》
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ， Φ 1和Φ 2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）
3、样品表面的扫描
隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 S极为敏 感，如果 S 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。 当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度 的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器 和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。
表征分析
————扫描隧道显微镜分析STM
（SCANNING TUNNELING MICROSCOPE）
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目录
1.STM的产生 2.STM的原理 3..STM的特点 4..STM在纳米分析中的应用 5.参考文献
1.STM的产生
•1982年，IBM Zurich 实验室的Gerd Binnig(宾尼)和 Heinrich Rohrer（罗雷尔）研制出世界上第一台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。他们获得1986年诺贝尔物理学奖。
a为势垒宽度，m为粒子质量， 为常数 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。
T exp(
2a
2 m (V 0 E ) )
2.STM的原理
Байду номын сангаас
由于电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表 面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指 数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线 度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品) 的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离 ＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。
STM的工作方式
图5 恒高模式
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。
3.STM的特点
(1)具有原子级的分辨率，横向和纵向分辨率分别可达到0.1nm 和0.01nm，可分辨单个原子。 (2)可实时地直接得到实空间中的表面三维图像，可研究具周期 性或不具周期性的表面结构，配合隧道谱(STS)和功函数，可 以得到表面电子结构的信息，甚至可直接观察到表面单个的 键。 (3)可观察表面局域的原子结构或电子结构，而非平均性质，因 而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附物的形态和 位置、以及由吸附引起的表面重构等。 (4)可以在真空、大气、常温、低温等不同环境下工作，还可 以在液体环境下工作，制样技术比较简单； (5)对样品表面的测量是非破坏的，因为针尖在距样品约lnm处 扫描，偏压很小，隧道电流亦很小，因此对表面不造成损伤。