扫描隧道显微镜STM
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隧道电流在10－9－10－6 A量级
当s增加Δs时： I ∝ exp[-2kos]·exp[-2koΔs]
设 Δs =1 ? ，ko≈1 ? －1 (φ～5eV) 则 exp[-2koΔs] = e－2 ≈ 1/8 即：当s增加 1? 时，I将减少一个数量级。
2．工作模式 △ 恒高模式 用隧道电流的大小来调制显象管的亮度 △ 恒电流模式 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。
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
= 2×(10－14－10－16)N
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)
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
光束反射法
(2)力传感器( 微悬臂和针尖 ) △ 低的力弹性常数 △ 高的力学共振频率 △ 高的横向刚性 △ 短的悬臂长度 △ 带有镜子或电极 △ 尽可能尖的尖端
利用弹性元件形变 F = kΔz(虎克定理)
F很小，k和Δz也必须小。 但k小不符合刚性原则，
因此在降低k的同时，也要减小M。
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 针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随x,y的变化，得扫 描隧道谱象。
表面的电子性质和化学性质表现在I-V 和 dI/dV－V 曲线中。
应用举例： Si (111) 面的 7×7 结构
STM △ 水平分辨率: 0.1 nm
纵向分辨率: 0.001 nm △ 信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布
采用特殊的工作模式,可把后两者wk.baidu.com息提取出来。 △ 对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量
五、原子力显微镜 (AFM) Atomic Force Microscope
1．特点：
六、扫描探针显微镜（ SPM ）
一、简介
1．从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→ STM
分辨 200nm
几个nm
?
2．原理
3．独特优点： Δ 观察表面形貌达原子分辨 Δ 无需任何透镜，不存在象差 Δ 可在各种条件下测量： 真空、大气、水、油及液氮中 Δ 广泛的应用：
形貌、表面电位、电子态分布 原子力显微镜及原子探针显微镜 纳米技术、表面微细加工、搬动原子
只有在表面各处逸出功相同时，针尖在 z方向的 位移才表示样品外形的起伏。
2．逸出功的测量 由 I ∝ exp[ - 2 kos] ΔI/I = - 2 koΔs
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。
利用了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移检测
3. 结构及关键技术 （振动隔离及样品移动等与 STM相同）
（1）AFM 微悬臂位移的检测方法 要求： 有纳米量级的检测灵敏度 测量对悬臂产生的作用力小到可忽略 方法： 隧道电流法（用STM） 光学检测法:干涉法 光束反射法 电容检测法
隧道电流法（用 STM）
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 5? /V 量级 STM针尖半径R 3-10 ? 针尖与表面距离 2-5 ? △ 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↘。 VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
△ 能测量绝缘体的表面形貌 (STM不能)
△ 测量表面原子间的力 测量弹性、塑性、硬度等
2．AFM 的结构及工作原理
微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。 针尖与表面轻轻接触 (斥力:10－ 8－10－ 6N)。 样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定 (样品与针尖间距 离不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样 品形貌信息。
△ 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 ? 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)
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：
R：针尖半径 S：针尖至表面距离
Ko = φ = (1/2)(φ1+φ2)
若 R = 3 ? , s = 2 ? , ko = 1 ? -1 则 δ≈1.6 ? (分辨率)
1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer)
二、基本原理
1．隧道电流 隧道结电流密度（对两平行金属）
s：有效隧道距离 VT：所加电压 ko：ko = φ：有效势垒高度
φ＝1/2 (φ1+φ2)eV 对于真空是几个电子伏 对氧化物小于1电子伏
I-s有指数关系： I ∝ exp[-2kos]
精度控制估算： 由 I ∝ exp[- 2 kos] lnI = - 2 kos + 常数
两边微分 ΔI/I = - 2 koΔs
若保持隧道电流 I不变 ΔI/I 在±2％之内 （电路控制可达精度） 设 ko≈1? －1，则 Δs ≈ 0.01 ? 表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01 ?
三、扫描隧道显微镜的结构
当s增加Δs时： I ∝ exp[-2kos]·exp[-2koΔs]
设 Δs =1 ? ，ko≈1 ? －1 (φ～5eV) 则 exp[-2koΔs] = e－2 ≈ 1/8 即：当s增加 1? 时，I将减少一个数量级。
2．工作模式 △ 恒高模式 用隧道电流的大小来调制显象管的亮度 △ 恒电流模式 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。
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
= 2×(10－14－10－16)N
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)
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
光束反射法
(2)力传感器( 微悬臂和针尖 ) △ 低的力弹性常数 △ 高的力学共振频率 △ 高的横向刚性 △ 短的悬臂长度 △ 带有镜子或电极 △ 尽可能尖的尖端
利用弹性元件形变 F = kΔz(虎克定理)
F很小，k和Δz也必须小。 但k小不符合刚性原则，
因此在降低k的同时，也要减小M。
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 针尖在X、Y平面扫描，测dI/dV随x,y的变化，得扫 描隧道谱象。
表面的电子性质和化学性质表现在I-V 和 dI/dV－V 曲线中。
应用举例： Si (111) 面的 7×7 结构
STM △ 水平分辨率: 0.1 nm
纵向分辨率: 0.001 nm △ 信息中包含有形貌特性、逸出功及电子态分布
采用特殊的工作模式,可把后两者wk.baidu.com息提取出来。 △ 对于非导体或针尖有沾污的情况，不能进行正确的测量
五、原子力显微镜 (AFM) Atomic Force Microscope
1．特点：
六、扫描探针显微镜（ SPM ）
一、简介
1．从光学显微镜→电子显微镜→场离子显微镜→ STM
分辨 200nm
几个nm
?
2．原理
3．独特优点： Δ 观察表面形貌达原子分辨 Δ 无需任何透镜，不存在象差 Δ 可在各种条件下测量： 真空、大气、水、油及液氮中 Δ 广泛的应用：
形貌、表面电位、电子态分布 原子力显微镜及原子探针显微镜 纳米技术、表面微细加工、搬动原子
只有在表面各处逸出功相同时，针尖在 z方向的 位移才表示样品外形的起伏。
2．逸出功的测量 由 I ∝ exp[ - 2 kos] ΔI/I = - 2 koΔs
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。
利用了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移检测
3. 结构及关键技术 （振动隔离及样品移动等与 STM相同）
（1）AFM 微悬臂位移的检测方法 要求： 有纳米量级的检测灵敏度 测量对悬臂产生的作用力小到可忽略 方法： 隧道电流法（用STM） 光学检测法:干涉法 光束反射法 电容检测法
隧道电流法（用 STM）
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 5? /V 量级 STM针尖半径R 3-10 ? 针尖与表面距离 2-5 ? △ 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↘。 VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
△ 能测量绝缘体的表面形貌 (STM不能)
△ 测量表面原子间的力 测量弹性、塑性、硬度等
2．AFM 的结构及工作原理
微悬臂一端固定，另一端有一微小针尖。 针尖与表面轻轻接触 (斥力:10－ 8－10－ 6N)。 样品扫描，保持样品与针尖间作用力恒定 (样品与针尖间距 离不变)。测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而获得样 品形貌信息。
△ 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 ? 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)
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：
R：针尖半径 S：针尖至表面距离
Ko = φ = (1/2)(φ1+φ2)
若 R = 3 ? , s = 2 ? , ko = 1 ? -1 则 δ≈1.6 ? (分辨率)
1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer)
二、基本原理
1．隧道电流 隧道结电流密度（对两平行金属）
s：有效隧道距离 VT：所加电压 ko：ko = φ：有效势垒高度
φ＝1/2 (φ1+φ2)eV 对于真空是几个电子伏 对氧化物小于1电子伏
I-s有指数关系： I ∝ exp[-2kos]
精度控制估算： 由 I ∝ exp[- 2 kos] lnI = - 2 kos + 常数
两边微分 ΔI/I = - 2 koΔs
若保持隧道电流 I不变 ΔI/I 在±2％之内 （电路控制可达精度） 设 ko≈1? －1，则 Δs ≈ 0.01 ? 表明：针尖至表面距离的控制精度可达0.01 ?
三、扫描隧道显微镜的结构