扫描探针显微镜

扫描探针显微镜Scanning Probe Microscopy, SPM

孔毅

2010年5月6日

扫描探针显微镜

•SPM：探测表面性质仪器的一个大家族

•扫描隧道显微镜（STM）

•原子力显微镜（AFM）

•揭示表面形貌，也可以测量许多表面的其它性质

扫描隧道显微镜(STM)

Scanning Tunneling Microscope

1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM）

1986年诺贝尔物理学奖

•The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 1986 Nobel Prize in Physics by one half to Professor.Ernst Ruska, Fritz-Haber-Institut der Max-

Planck-Gesellschaft, Berlin, Federal Republic of

Germany,for his fundamental work in electron optics, and for the design of the first electron microscope

and the other half, jointly to

Dr Gerd Binnig(39岁) and Dr Heinrich Rohrer (53岁), IBM Research Laboratory, Zurich, Switzerland,for their design of the scanning tunnelling microscope

基本原理

隧道效应

透射系数T

•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：

•由上式可见，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。

隧道电流

•由隧道电流公式可知，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。

基本

原理

图

工作模式

△恒流模式

用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不

变(保持隧道电流不变)，用反馈调制电压控制

显象管亮度或画出表面形貌三维图象。

△恒高模式

用隧道电流的大小来调制显象管的亮度针尖至表面距离的控制精度可达0.01 Å

恒流模式

•初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变；反之，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动。计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维形貌

恒高模式

•保持水平高度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以给出高度的变化。

扫描隧道显微镜的结构

1.技术关键

△微小距离的移动及控制－压电陶瓷

位移灵敏度在5Å/V 量级

STM针尖半径R 3-10 Å

针尖与表面距离2-5 Å

△防震

2.结构

三维控制的压电陶瓷：

Px和Py上加周期锯齿波电压，使针尖沿表面作光栅扫描。

利用隧道结电流I反馈，控制加于Pz上的电压来控制s，以保持I不变。

如s↗→I↘→Pz上的电压↗→Pz伸长→s↘。V Pz (V Px ,V Py )曲线为样品表面三维轮廓线。

三维扫描控制器

使用压电陶瓷材料作为x 、y 、z 扫描控制器件，它们能以简单的方式将1mV-100V 的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。

△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)

STM的一个难题：针尖的制备•针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的最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率的图象。

钨针尖

•由于钨针尖能够满足STM仪器刚性的要求，因而被广泛地使用。但由于钨针尖在水溶液中或暴露在空气中时，容易形成表面氧化物，因此在真空中使用前，最好在超高真空系统中进行蒸发,在空气中使用前，通过退火或使用离子研磨技术中的溅射等方法除去针尖表面的氧化层。为了得到锐利的针尖，通常用电化学腐蚀法处理金属钨丝。

电化学腐蚀法

铂铱合金针尖

•与钨相比，铂材料虽软，但不易被氧化，在铂中加入少量铱(例如铂铱的比例为80％:20％)形成的铂铱合金丝，除保留了不易被氧化的特性外，其刚性也得到了增强，故现在大部分人使用铂铱合金作为隧道针尖材料。为了得到锐利的针尖，通常对铂铱合金丝就用剪刀剪切。