扫描探针显微分析
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材料的形貌检测分析技术
பைடு நூலகம்
人的眼睛的分辨本领0.2 mm 光学显微镜：极限分辨本领是0.2 um。 透射电子显微镜：分辨本领优于3 Å 扫描电子显微镜：分辨本领是3-4 nm 扫描探针显微镜：？
TEM&SEM 电子与物质相互作用
1933年
Ruska Knoll
电子显微镜
扫描 电子 显微 镜
这是目前为止能进行表面分析的最精密仪器，既 可观察到原子，又可直接搬动原子。
目前其横向分辨率可达到0.1 nm，纵向分辨率可 达到0.01 nm。
Heinrich Rohrer
Gerd Binnig
输掉了足球，赢得了世界！
世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)
二. STM工作原理
量子隧道效应
一般情况下，只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波 长可比拟时，才可以观测到显著的隧道效应。
扫描隧道显微镜的基本原理是将原子尺度尖锐
的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。
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧 道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流 对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强 度就可以知道到探针与样品之间的距离
在线扫描控制和离线数据处理 2
离线数据分析 平滑：使图象中的高低变化趋于平缓，消除数 据点发生突变的情况 滤波：消除测量过程中由于针尖抖动或其它扰 动给图象带来的很多毛刺 傅立叶变换：研究原子图象的周期性 图象反转：将图象进行黑白反转 数据统计 三维生成：根据扫描所得的表面型貌的二维图 象，生成直观的三维图象 其它功能
3. 《扫描隧道显微学引论》，华中一、朱昂如、金晓
峰译，中国轻工业出版社，1996。
主要内容
一. 引言 二. STM工作原理 三．基本结构 四． SEM像
五. STM的特点
六. 影响图像质量的因素
1982 年，美国 IBM 公司 G.Binning 和 H.Rohrer 博 士发明了扫描隧道显微镜，针尖与样品间距1 nm， 横向分辨率0.4 nm; 1986年获诺贝尔物理奖。
扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜 （STM）
原子力显微镜 （AFM） 磁力显微镜 （MFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
静电力显微镜 （EFM） 扫描力显微镜 （SFM）
4.1 扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
主要参考书
1. 《电化学扫描隧道显微术及其应用》，万立骏著，
样品具有周期性结构
第四章 扫描探针显微技术
及其应用
扫描探针显微镜的产生 扫描隧道 显微镜
1982年
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。
科学出版社，2005。
2. C. J. Chen， “ Introduction to Scanning Tunneling
Microscopy ” (Oxford Series in Optical and Imaging
Sciences, 4), Oxford University Press, 1993.
石墨样品 扫描原子图象时作为标准样品
光栅样品（1m 1m）
铑单晶上的氧原子点阵 （5nm 扫描范围）
吸附在铂上的碘原子缺陷 （2.5nm 扫描范围）
文字的书写
从MoS2表面除去S原子写 成原子文字“和平91”
从MoS2表面除去S原子 的操作方法
世界上最小的广告
Xe
Ni
原子算盘
透射 电子 显微 镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
光电 子能 谱
低能 电子 衍射
局限性
扫描电子显微镜 不足分辨出表面原子 用于薄层样品的体相和界面研究 只能探测在半径小于100nm的 针尖上的原子结构和二维几何 性质，且制样技术复杂 只能提供空间平均的电子结构 信息
透射电子显 微镜
场电子显微镜和 场离子显微镜 X射线光电子 能谱 低能电子衍射
STM的工作模式
（a）恒电流模式
（b）恒高模式
A 恒流模式
保持样品与探针间距Z不变
，即隧道电流恒定的工作
方式称为恒电流模式。
优点：能测量表面较粗糙
的样品，缺点是扫速较慢
B 恒高模式
对于起伏不大的样品表面，
可以进行探针高度守恒扫描
，而以隧道电流的变化为信
号来成像。
优点：扫速较快，缺点是只 能在原子级光滑的平面扫描
STM通常被认为是测量表面原子结构的工具， 具有直接测量原子间距的分辨率。
但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生
错误的信息。
原因是STM图像反映的是样品表面局域电子
结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核
的位置没有直接关系，并不能将观察到的表
面高低起伏简单地归纳为原子的排布结构。
四. STM像
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：
I Vb exp( A S )
隧道探针一般采用直径小于1 mm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
1 2
可以产生隧道电流。
三．基本结构
隧道针尖
隧道针尖的结构是STM的主要技术问题，针尖的大小、 形状、化学同一性影响STM图像的形状和分辨率，影 响测定的电子态。
六、影响分辨率和图像质量的因素
对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率 、针尖的 尖端很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学 纯度高； 压电陶瓷的精度要足够高； 减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统 的综合使用； 电子学控制系统的采集和反馈速度和质量； 样品的导电性对图像也有一定的影响。 各种参数的选择要合适。
缺点：
要求高：防震，高真空，防温度变化。 电 导 率 在 10-9S/m 以 上 的 样 品 可 以 满 足 常 规 STM 测试的要求。如果样品的导电性很差。 最好使用银或金导电胶将其固定，并进行镀 金处理。 在恒流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不 能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖 锐的探针。
碳60分子在铜表面组成的算盘
纳米绘画艺术
石墨表面
中科院化学所
纳米车
五. STM的特点
优点：
1.具有原子高分辩率。横向：0.1nm, 纵向： 0.01nm。 2.可实时得到在实空间中表面的三维图像； 3.可以观察单个原子层的局部表面结构。 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作， 甚至水中也可以，而且对样品无损。 5. 不仅可以观察还可以搬动原子。
机械成型法针尖
电化学腐蚀法针尖
三维扫描控制器
压电陶瓷材料制作 x-y-z 扫描控制器件，可以将 1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到 几微米的位移。
隔绝震动
减震系统
电子学控制系统
电子学控制系统最主要的是反馈功能-模拟反馈系统。
在线扫描控制和离线数据处理 1(自学)
在线扫描控制 基本参数设置： 电流设定：恒电流模式，针尖与样品表面之间的 距离，0.5-1.0nA 针尖偏压：加在针尖和样品之间、用于产生隧道 电流的电压，50-100mV Z电压：加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的 电压，150.0mV-200.0mV 采集目标：高度、隧道电流 输出方式、扫描速度、角度走向、尺寸、中心偏 移、工作模式、斜面校正、往复扫描、量程 马达控制： 控制电动马达以微小的步长转动，使针尖靠近样 品，进入隧道区 “连续”、“单步”
பைடு நூலகம்
人的眼睛的分辨本领0.2 mm 光学显微镜：极限分辨本领是0.2 um。 透射电子显微镜：分辨本领优于3 Å 扫描电子显微镜：分辨本领是3-4 nm 扫描探针显微镜：？
TEM&SEM 电子与物质相互作用
1933年
Ruska Knoll
电子显微镜
扫描 电子 显微 镜
这是目前为止能进行表面分析的最精密仪器，既 可观察到原子，又可直接搬动原子。
目前其横向分辨率可达到0.1 nm，纵向分辨率可 达到0.01 nm。
Heinrich Rohrer
Gerd Binnig
输掉了足球，赢得了世界！
世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)
二. STM工作原理
量子隧道效应
一般情况下，只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波 长可比拟时，才可以观测到显著的隧道效应。
扫描隧道显微镜的基本原理是将原子尺度尖锐
的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。
探针与样品之间的缝隙就相当于一个势垒，电子的隧 道效应使其可以穿过这个缝隙，形成电流，并且电流 对探针与样品之间的距离十分敏感，因此通过电流强 度就可以知道到探针与样品之间的距离
在线扫描控制和离线数据处理 2
离线数据分析 平滑：使图象中的高低变化趋于平缓，消除数 据点发生突变的情况 滤波：消除测量过程中由于针尖抖动或其它扰 动给图象带来的很多毛刺 傅立叶变换：研究原子图象的周期性 图象反转：将图象进行黑白反转 数据统计 三维生成：根据扫描所得的表面型貌的二维图 象，生成直观的三维图象 其它功能
3. 《扫描隧道显微学引论》，华中一、朱昂如、金晓
峰译，中国轻工业出版社，1996。
主要内容
一. 引言 二. STM工作原理 三．基本结构 四． SEM像
五. STM的特点
六. 影响图像质量的因素
1982 年，美国 IBM 公司 G.Binning 和 H.Rohrer 博 士发明了扫描隧道显微镜，针尖与样品间距1 nm， 横向分辨率0.4 nm; 1986年获诺贝尔物理奖。
扫描探针显微镜的产生
扫描隧道显微镜 （STM）
原子力显微镜 （AFM） 磁力显微镜 （MFM）
扫描探针显微镜 （SPM）
静电力显微镜 （EFM） 扫描力显微镜 （SFM）
4.1 扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
主要参考书
1. 《电化学扫描隧道显微术及其应用》，万立骏著，
样品具有周期性结构
第四章 扫描探针显微技术
及其应用
扫描探针显微镜的产生 扫描隧道 显微镜
1982年
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。
科学出版社，2005。
2. C. J. Chen， “ Introduction to Scanning Tunneling
Microscopy ” (Oxford Series in Optical and Imaging
Sciences, 4), Oxford University Press, 1993.
石墨样品 扫描原子图象时作为标准样品
光栅样品（1m 1m）
铑单晶上的氧原子点阵 （5nm 扫描范围）
吸附在铂上的碘原子缺陷 （2.5nm 扫描范围）
文字的书写
从MoS2表面除去S原子写 成原子文字“和平91”
从MoS2表面除去S原子 的操作方法
世界上最小的广告
Xe
Ni
原子算盘
透射 电子 显微 镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
光电 子能 谱
低能 电子 衍射
局限性
扫描电子显微镜 不足分辨出表面原子 用于薄层样品的体相和界面研究 只能探测在半径小于100nm的 针尖上的原子结构和二维几何 性质，且制样技术复杂 只能提供空间平均的电子结构 信息
透射电子显 微镜
场电子显微镜和 场离子显微镜 X射线光电子 能谱 低能电子衍射
STM的工作模式
（a）恒电流模式
（b）恒高模式
A 恒流模式
保持样品与探针间距Z不变
，即隧道电流恒定的工作
方式称为恒电流模式。
优点：能测量表面较粗糙
的样品，缺点是扫速较慢
B 恒高模式
对于起伏不大的样品表面，
可以进行探针高度守恒扫描
，而以隧道电流的变化为信
号来成像。
优点：扫速较快，缺点是只 能在原子级光滑的平面扫描
STM通常被认为是测量表面原子结构的工具， 具有直接测量原子间距的分辨率。
但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生
错误的信息。
原因是STM图像反映的是样品表面局域电子
结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核
的位置没有直接关系，并不能将观察到的表
面高低起伏简单地归纳为原子的排布结构。
四. STM像
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：
I Vb exp( A S )
隧道探针一般采用直径小于1 mm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
1 2
可以产生隧道电流。
三．基本结构
隧道针尖
隧道针尖的结构是STM的主要技术问题，针尖的大小、 形状、化学同一性影响STM图像的形状和分辨率，影 响测定的电子态。
六、影响分辨率和图像质量的因素
对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率 、针尖的 尖端很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学 纯度高； 压电陶瓷的精度要足够高； 减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统 的综合使用； 电子学控制系统的采集和反馈速度和质量； 样品的导电性对图像也有一定的影响。 各种参数的选择要合适。
缺点：
要求高：防震，高真空，防温度变化。 电 导 率 在 10-9S/m 以 上 的 样 品 可 以 满 足 常 规 STM 测试的要求。如果样品的导电性很差。 最好使用银或金导电胶将其固定，并进行镀 金处理。 在恒流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不 能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖 锐的探针。
碳60分子在铜表面组成的算盘
纳米绘画艺术
石墨表面
中科院化学所
纳米车
五. STM的特点
优点：
1.具有原子高分辩率。横向：0.1nm, 纵向： 0.01nm。 2.可实时得到在实空间中表面的三维图像； 3.可以观察单个原子层的局部表面结构。 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作， 甚至水中也可以，而且对样品无损。 5. 不仅可以观察还可以搬动原子。
机械成型法针尖
电化学腐蚀法针尖
三维扫描控制器
压电陶瓷材料制作 x-y-z 扫描控制器件，可以将 1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到 几微米的位移。
隔绝震动
减震系统
电子学控制系统
电子学控制系统最主要的是反馈功能-模拟反馈系统。
在线扫描控制和离线数据处理 1(自学)
在线扫描控制 基本参数设置： 电流设定：恒电流模式，针尖与样品表面之间的 距离，0.5-1.0nA 针尖偏压：加在针尖和样品之间、用于产生隧道 电流的电压，50-100mV Z电压：加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的 电压，150.0mV-200.0mV 采集目标：高度、隧道电流 输出方式、扫描速度、角度走向、尺寸、中心偏 移、工作模式、斜面校正、往复扫描、量程 马达控制： 控制电动马达以微小的步长转动，使针尖靠近样 品，进入隧道区 “连续”、“单步”