10-扫描隧道显微镜STM与原子力显微镜AFM-杨建中
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
24
压电陶瓷扫描控制器
(c)：十字架配合单管型，z方 向的运动由处在“十”字型 中心的一个压电陶瓷管完成， x和y扫描电压以大小相同、 符号相反的方式分别加在一 对x、-x和y、-y上。这种结构 的x-y扫描单元是一种互补结 构，可以在一定程度上补偿 热漂移的影响
25
STM仪器保障条件
由于STM工作时针尖与样品间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间 距成指数关系，因此任何微小的振动都会对仪器的稳定性产生影响。因 此，好的仪器应具有良好的减震效果，一般由振动引起的隧道间距变化 必须小于0.001nm 隧道电路流在纳安量级， STM反馈电路是一种高增益电路，因此很容易 受到外界噪声的干扰。对弱信号检测问题，信号线和控制线的屏蔽很重 要 仪器本身的共振频率、噪声、热漂移、压电陶瓷材料的滞后和蠕变效应， 以及数据的表达和处理等，都是要在仪器设计中考虑
3
表面分析技术研究内容
表面形貌和表面结构：表面形貌指样品表面的宏观外形， 当分辨率达到原子分辨率时，可以观察到表面的原子排列， 这时形貌分析和结构分析之间就没有明确的界限 表面成分分析：包括测定表面的元素组成，化学态及在表 面的横向与纵向分布 表面原子态分析：主要测定表面原子振动、表面原子化学 键的性质与吸附位置，吸附原子态、吸附原子的成键方向 等情况 表面电子态分析：主要测定表面原子能级的性质、表面态 密度分布、表面电荷密度分布和能量分布
精确观测和描述针尖的几何形状和电子特性对于实验质量的 评估有重要的参考价值
用场离子显微镜FIM观察针尖形状
19
用FIM观察针尖
原理：成像气体原子在带正高压的针 尖样品附近被场离子化，（正）离子受 电场加速，并沿电场方向飞行到阴极荧 光屏，在荧光屏上得到一个对应于针尖 表面原子排列的场离子象
FIM是一种点投射显微镜，结构简单，不需要电磁透镜，离子在强场作用下基本沿 电力线方向运动，直到打在荧光屏上 具有105～107的放大倍数和原子级分辨率，可以看到原子排列 由于强场存在，样品表面承受很大的电场力，针尖易损坏，所以不是所有材料都可 以用FIM观察 表面上有强场存在是一个很大的干扰因素，因为所测出的表面状态只能反映在强场 下的状态而不是一般状态
普通机械控制显然难以达到要求，因此目前普遍采用压电陶 瓷扫描控制器
22
压电陶瓷扫描控制器
(a)：三脚架型，由三根 独立的长棱柱型压电陶 瓷材料以相互正交的方 向结合在一起，针尖放 在三脚架的顶端，三条 腿独立地伸展与收缩， 使针尖沿x-y-z三个方向 运动
23
压电陶瓷扫描控制器
(b)：单管型，陶瓷管的外部 电极分成面积相等的四份， 内壁为一整体电极，在其中 一块电极上施加电压，管子 的这一部分就会伸展或收缩， 导致陶瓷管向垂直于管轴的 方向弯曲。通过在相邻的两 个电极上按一定顺序施加电 压就可以实现在x-y方向的相 互垂直移动。 z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收 缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号 的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范 围，也可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域
27
SPM与SFM
• STM巧妙地利用探针近场探测方法、隧道电流理论、压电 陶瓷扫描技术等现代科学技术，大大扩展了人们对显微技 术本身的认识。借鉴STM的方法，许多新型的显微仪器和 探测方法相继诞生。这些显微仪器适用于不同的领域，具 有不同的功能，可以获得STM不能获得的有关表面的各种 信息。虽然这些仪器功能各异，但都有一个共同的特点： 使用探针在样品表面进行扫描，因此科学界把这类显微仪 器归纳到一起，统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM） • 扫描力显微镜（Scanning Force Microscope，SFM）是SPM 家族中一组重要的成员
7
STM概述
• IBM公司苏黎世实验室的Gerd Binning和Heinrich Rohrer 在从事超导隧道效应的研究中，想到可以利用导体的 隧道效应来探测物体的表面，并于1981年研制成功了 新 型 表 面 分 析 仪 器 － 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ Scanning Tunneling Microscope， STM） • STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵 向优于0.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构， 而且能对原子和分子进行操纵，可以说是人类眼睛和 双手的延伸
20
隧道针尖的制备
目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法 等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。 钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。铂-铱合金针尖多用机 械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖， 其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这是 造成隧道电流不稳、噪声大和扫描隧道显微镜图象的不可 预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理， 一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖 具有良好的导电性
如果针尖最末端只有一个稳定的原子，则隧道电流就会很稳定，而且能 够获得原子级分辨率的图像 针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素 针尖的尺寸和形状决定其共振频率，共振频率高可减小相位滞后，提高 采集速度 如果针尖的化学纯度不高（例如针尖表面有氧化层），就会涉及一系列 势垒，阻碍隧道电流的产生
11
STM原理
• 隧道电流是电子波函数重叠的量度，与两个导 体之间的距离S和平均功函数Φ有关
1 − AΦ 2 S I ∝ Vb exp
1 Φ ≈ (Φ 1 + Φ 2 ) 2
隧道电流与导体之间的距离呈指数关系，因此对导体之间的距离非常敏感
12
STM图像的本质
• • 用表面电子态密度的测量结果来揭示表面原子的位 置和排列状况，作为表面形貌的表征 隧道电流的大小是表面原子起伏与不同原子及其各 自态密度组合后的综合效果，因此不仅给出表面占 据态和未占据态的信息，而且还包含着表面化学组 成、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等 方面的信息
2
表面的特点
表面科学：从原子水平来认识并说明表面原子的化学性 质、几何结构、运动状态、电子态等微观性质及其与宏 观性质的联系
表面工程：改变表面性质，获得理想表面 表面厚度有时指表面的第一层原子层，有时指表面几个 原子层，有时指厚度达几个纳米的表面层；对镀膜的固 体而言，表面一般指的就是表面所镀的膜层；表面是一 个纳米尺度的研究对象
21
三维扫描控制器的技术要求
为了能在合理的扫描范围内达到原子级分辨率，要求控 制器在z轴方向的伸缩范围至少为1µm，精度0.001nm； 在x和y方向的扫描范围至少为1µm×1µm，精度0.01nm 为了能在操作中方便地更换样品或针尖，快速调节仪器， 要求控制器在z方向的机械调节范围为1mm以上，调节 精度高于0.1µm 为了有效散逸外界振动的影响，保持针尖与样品之间间 隙的稳定，要求控制器具有较高的机械共振频率
wenku.baidu.com
4
表面分析技术
表面形貌（结构）：原子力显微镜AFM 表面结构和电子态：扫描隧道显微镜STM 表面成分分析：质谱仪、能谱仪和光谱仪
5
扫描隧道显微镜STM与 原子力显微镜AFM
概述
• • 透射电镜虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际 上是薄样品的内部信息，不能用于表面观察和分析 扫描电镜采用高能电子束作为探针，但高能电子束对 样品有一定的穿透深度，所得的信息也不能反映“真 实”的表面状态 • 扫描隧道显微镜和原子力显微镜能够获得真实的、实 时的、原子级分辨率的表面信息
26
STM与纳米加工技术
利用探针与样品之间由纳米高度空间限制的电子束，在针尖 所对应的样品表面微小区域内进行纳米级加工，包括表面直接 刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、微小粒子及单原子操作等 应用前景： 有可能将目前大规模集成电路的线宽从微米量级提高到纳米 量级 可对表面掩膜及集成电路的线路结构进行实时修补 可对原子团或原子在表面的生长、迁移、扩散等物理过程及 微小粒子间的相互作用、微小粒子与表面间的相互作用等进行 研究 可将吸附在表面上的吸附质，如金属小颗粒、原子团及单个 原子等从表面某处移向另一处，即对粒子进行操纵
13
STM工作方式
用压电陶瓷驱动器控制针尖 在样品表面扫描，z方向有 一套反馈控制系统。让针尖 靠近样品表面，产生一个初 始隧道电流。反馈控制系统 用于在z方向上移动针尖， 以保持隧道电流的恒定 当样品表面凸起（凹进）时，隧道电流有增加（减少）的趋势， 这时驱动针尖向上（下）移动，以保持隧道电流不变。针尖在 样品表面扫描时的运动轨迹就能够反映样品表面态密度的分布 或原子排列的信息。针尖的运动轨迹可以用压电陶瓷驱动器上 所加的驱动电压来表征，可直接在终端显示。这种扫描方式用 于观察表面形貌起伏较大的样品，是一种常用扫描模式
9
STM概述
1986年诺贝尔物理奖
Ernst Ruska(1906–1988)
Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
10
STM原理
• 隧道效应与隧道电流
根据量子力学理论的计算和科学实验的证 明：当具有电位势差的两个导体之间的距离 小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿 透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧 道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流
28
SFM工作原理
将一个尖锐的针尖装在一个对微弱力非常敏感的微悬臂上， 并使之与待测样品表面有某种形式的接触，通过压电陶瓷 三维扫描控制器驱动针尖或样品进行相对扫描。作用在样 品与针尖之间的各种力使微悬臂发生形变，这些形变可通 过光学或电学方法检测得出。这些力与样品表面的微观形 貌和物理化学性质有关，因此可用来对样品表面进行高分 辨率成像和进行表面性质的分析
16
STM的局限性
样品必须具有一定程度的导电性 针尖大小影响图像分辨率 针尖形状和性质的不确定性对图像分析结果带来不确 定因素
17
STM仪器结构
主要由隧道针尖、扫描控制器、电子反馈回路以及 数据采集和图象处理系统四部分组成
18
隧道针尖的技术要求
针尖要求尖锐，最好只有一个原子。针尖的大小、形状和化 学同一性不仅影响着表面形貌测量的分辨率，同时也影响着 测定的电子态
表面分析技术概述
表面的特点
物体与周围环境（气体、液体、固体或真空）的边界，称 为表面。一般指固体表面 由于表面原子在体相中的对称性和所处晶体场环境突然被 破坏，使得固体表面的组分、结构和电子态都可能与固体 内部有相当大的差异 很多物理、化学过程，如氧化、腐蚀、摩擦、催化、吸附、 电接触和电子发射等都发生在表面，因此表面的微观现象 已成为基础科学和工程技术的重要研究内容 在传统材料中，大多数原子处于材料内部而不是表面，它 们构成了块体材料；纳米材料和传统材料的本质差异在于 纳米材料中表面原子数占材料总原子数的比例非常高
14
STM工作方式
对于起伏不大的样品表面， 可以控制针尖高度恒定， 即z方向保持水平高度不 变，由于隧道电流随针尖 与样品表面原子之间的距 离有明显的变化，通过记 录隧道电流的变化也可以 得到样品表面的态密度分 布或原子排列的信息 这种扫描方式的特点是扫描速度快（没有反馈系统），能够 减少噪声和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面 起伏大于1nm的样品
8
STM概述
• STM的出现，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和与表面电子行为有关的物理化 学性质，标志着人类进入直接观察、操纵原子的新时 代，标志着在原子和分子水平根据人们的意志设计、 修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能 • STM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
15
STM的优点
原子级分辨率 真实表面（单原子层表面）的局域信息，而不是 体相的平均性质 实时表面信息，可以实现对表面反应、扩散等动 态过程的研究 表面形貌和电子态 无损探测 可用针尖操纵单个原子或分子，可对表面进行纳 米加工 使用环境宽松（不需要真空），价格相对较低， 应用领域宽广
压电陶瓷扫描控制器
(c)：十字架配合单管型，z方 向的运动由处在“十”字型 中心的一个压电陶瓷管完成， x和y扫描电压以大小相同、 符号相反的方式分别加在一 对x、-x和y、-y上。这种结构 的x-y扫描单元是一种互补结 构，可以在一定程度上补偿 热漂移的影响
25
STM仪器保障条件
由于STM工作时针尖与样品间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间 距成指数关系，因此任何微小的振动都会对仪器的稳定性产生影响。因 此，好的仪器应具有良好的减震效果，一般由振动引起的隧道间距变化 必须小于0.001nm 隧道电路流在纳安量级， STM反馈电路是一种高增益电路，因此很容易 受到外界噪声的干扰。对弱信号检测问题，信号线和控制线的屏蔽很重 要 仪器本身的共振频率、噪声、热漂移、压电陶瓷材料的滞后和蠕变效应， 以及数据的表达和处理等，都是要在仪器设计中考虑
3
表面分析技术研究内容
表面形貌和表面结构：表面形貌指样品表面的宏观外形， 当分辨率达到原子分辨率时，可以观察到表面的原子排列， 这时形貌分析和结构分析之间就没有明确的界限 表面成分分析：包括测定表面的元素组成，化学态及在表 面的横向与纵向分布 表面原子态分析：主要测定表面原子振动、表面原子化学 键的性质与吸附位置，吸附原子态、吸附原子的成键方向 等情况 表面电子态分析：主要测定表面原子能级的性质、表面态 密度分布、表面电荷密度分布和能量分布
精确观测和描述针尖的几何形状和电子特性对于实验质量的 评估有重要的参考价值
用场离子显微镜FIM观察针尖形状
19
用FIM观察针尖
原理：成像气体原子在带正高压的针 尖样品附近被场离子化，（正）离子受 电场加速，并沿电场方向飞行到阴极荧 光屏，在荧光屏上得到一个对应于针尖 表面原子排列的场离子象
FIM是一种点投射显微镜，结构简单，不需要电磁透镜，离子在强场作用下基本沿 电力线方向运动，直到打在荧光屏上 具有105～107的放大倍数和原子级分辨率，可以看到原子排列 由于强场存在，样品表面承受很大的电场力，针尖易损坏，所以不是所有材料都可 以用FIM观察 表面上有强场存在是一个很大的干扰因素，因为所测出的表面状态只能反映在强场 下的状态而不是一般状态
普通机械控制显然难以达到要求，因此目前普遍采用压电陶 瓷扫描控制器
22
压电陶瓷扫描控制器
(a)：三脚架型，由三根 独立的长棱柱型压电陶 瓷材料以相互正交的方 向结合在一起，针尖放 在三脚架的顶端，三条 腿独立地伸展与收缩， 使针尖沿x-y-z三个方向 运动
23
压电陶瓷扫描控制器
(b)：单管型，陶瓷管的外部 电极分成面积相等的四份， 内壁为一整体电极，在其中 一块电极上施加电压，管子 的这一部分就会伸展或收缩， 导致陶瓷管向垂直于管轴的 方向弯曲。通过在相邻的两 个电极上按一定顺序施加电 压就可以实现在x-y方向的相 互垂直移动。 z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收 缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号 的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范 围，也可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域
27
SPM与SFM
• STM巧妙地利用探针近场探测方法、隧道电流理论、压电 陶瓷扫描技术等现代科学技术，大大扩展了人们对显微技 术本身的认识。借鉴STM的方法，许多新型的显微仪器和 探测方法相继诞生。这些显微仪器适用于不同的领域，具 有不同的功能，可以获得STM不能获得的有关表面的各种 信息。虽然这些仪器功能各异，但都有一个共同的特点： 使用探针在样品表面进行扫描，因此科学界把这类显微仪 器归纳到一起，统称为扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM） • 扫描力显微镜（Scanning Force Microscope，SFM）是SPM 家族中一组重要的成员
7
STM概述
• IBM公司苏黎世实验室的Gerd Binning和Heinrich Rohrer 在从事超导隧道效应的研究中，想到可以利用导体的 隧道效应来探测物体的表面，并于1981年研制成功了 新 型 表 面 分 析 仪 器 － 扫 描 隧 道 显 微 镜 （ Scanning Tunneling Microscope， STM） • STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1nm，纵 向优于0.01nm），能直接观察到物质表面的原子结构， 而且能对原子和分子进行操纵，可以说是人类眼睛和 双手的延伸
20
隧道针尖的制备
目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法 等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。 钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。铂-铱合金针尖多用机 械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖， 其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这是 造成隧道电流不稳、噪声大和扫描隧道显微镜图象的不可 预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理， 一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖 具有良好的导电性
如果针尖最末端只有一个稳定的原子，则隧道电流就会很稳定，而且能 够获得原子级分辨率的图像 针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素 针尖的尺寸和形状决定其共振频率，共振频率高可减小相位滞后，提高 采集速度 如果针尖的化学纯度不高（例如针尖表面有氧化层），就会涉及一系列 势垒，阻碍隧道电流的产生
11
STM原理
• 隧道电流是电子波函数重叠的量度，与两个导 体之间的距离S和平均功函数Φ有关
1 − AΦ 2 S I ∝ Vb exp
1 Φ ≈ (Φ 1 + Φ 2 ) 2
隧道电流与导体之间的距离呈指数关系，因此对导体之间的距离非常敏感
12
STM图像的本质
• • 用表面电子态密度的测量结果来揭示表面原子的位 置和排列状况，作为表面形貌的表征 隧道电流的大小是表面原子起伏与不同原子及其各 自态密度组合后的综合效果，因此不仅给出表面占 据态和未占据态的信息，而且还包含着表面化学组 成、成键状态、能隙、能带弯曲效应和表面吸附等 方面的信息
2
表面的特点
表面科学：从原子水平来认识并说明表面原子的化学性 质、几何结构、运动状态、电子态等微观性质及其与宏 观性质的联系
表面工程：改变表面性质，获得理想表面 表面厚度有时指表面的第一层原子层，有时指表面几个 原子层，有时指厚度达几个纳米的表面层；对镀膜的固 体而言，表面一般指的就是表面所镀的膜层；表面是一 个纳米尺度的研究对象
21
三维扫描控制器的技术要求
为了能在合理的扫描范围内达到原子级分辨率，要求控 制器在z轴方向的伸缩范围至少为1µm，精度0.001nm； 在x和y方向的扫描范围至少为1µm×1µm，精度0.01nm 为了能在操作中方便地更换样品或针尖，快速调节仪器， 要求控制器在z方向的机械调节范围为1mm以上，调节 精度高于0.1µm 为了有效散逸外界振动的影响，保持针尖与样品之间间 隙的稳定，要求控制器具有较高的机械共振频率
wenku.baidu.com
4
表面分析技术
表面形貌（结构）：原子力显微镜AFM 表面结构和电子态：扫描隧道显微镜STM 表面成分分析：质谱仪、能谱仪和光谱仪
5
扫描隧道显微镜STM与 原子力显微镜AFM
概述
• • 透射电镜虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际 上是薄样品的内部信息，不能用于表面观察和分析 扫描电镜采用高能电子束作为探针，但高能电子束对 样品有一定的穿透深度，所得的信息也不能反映“真 实”的表面状态 • 扫描隧道显微镜和原子力显微镜能够获得真实的、实 时的、原子级分辨率的表面信息
26
STM与纳米加工技术
利用探针与样品之间由纳米高度空间限制的电子束，在针尖 所对应的样品表面微小区域内进行纳米级加工，包括表面直接 刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、微小粒子及单原子操作等 应用前景： 有可能将目前大规模集成电路的线宽从微米量级提高到纳米 量级 可对表面掩膜及集成电路的线路结构进行实时修补 可对原子团或原子在表面的生长、迁移、扩散等物理过程及 微小粒子间的相互作用、微小粒子与表面间的相互作用等进行 研究 可将吸附在表面上的吸附质，如金属小颗粒、原子团及单个 原子等从表面某处移向另一处，即对粒子进行操纵
13
STM工作方式
用压电陶瓷驱动器控制针尖 在样品表面扫描，z方向有 一套反馈控制系统。让针尖 靠近样品表面，产生一个初 始隧道电流。反馈控制系统 用于在z方向上移动针尖， 以保持隧道电流的恒定 当样品表面凸起（凹进）时，隧道电流有增加（减少）的趋势， 这时驱动针尖向上（下）移动，以保持隧道电流不变。针尖在 样品表面扫描时的运动轨迹就能够反映样品表面态密度的分布 或原子排列的信息。针尖的运动轨迹可以用压电陶瓷驱动器上 所加的驱动电压来表征，可直接在终端显示。这种扫描方式用 于观察表面形貌起伏较大的样品，是一种常用扫描模式
9
STM概述
1986年诺贝尔物理奖
Ernst Ruska(1906–1988)
Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
10
STM原理
• 隧道效应与隧道电流
根据量子力学理论的计算和科学实验的证 明：当具有电位势差的两个导体之间的距离 小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿 透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧 道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流
28
SFM工作原理
将一个尖锐的针尖装在一个对微弱力非常敏感的微悬臂上， 并使之与待测样品表面有某种形式的接触，通过压电陶瓷 三维扫描控制器驱动针尖或样品进行相对扫描。作用在样 品与针尖之间的各种力使微悬臂发生形变，这些形变可通 过光学或电学方法检测得出。这些力与样品表面的微观形 貌和物理化学性质有关，因此可用来对样品表面进行高分 辨率成像和进行表面性质的分析
16
STM的局限性
样品必须具有一定程度的导电性 针尖大小影响图像分辨率 针尖形状和性质的不确定性对图像分析结果带来不确 定因素
17
STM仪器结构
主要由隧道针尖、扫描控制器、电子反馈回路以及 数据采集和图象处理系统四部分组成
18
隧道针尖的技术要求
针尖要求尖锐，最好只有一个原子。针尖的大小、形状和化 学同一性不仅影响着表面形貌测量的分辨率，同时也影响着 测定的电子态
表面分析技术概述
表面的特点
物体与周围环境（气体、液体、固体或真空）的边界，称 为表面。一般指固体表面 由于表面原子在体相中的对称性和所处晶体场环境突然被 破坏，使得固体表面的组分、结构和电子态都可能与固体 内部有相当大的差异 很多物理、化学过程，如氧化、腐蚀、摩擦、催化、吸附、 电接触和电子发射等都发生在表面，因此表面的微观现象 已成为基础科学和工程技术的重要研究内容 在传统材料中，大多数原子处于材料内部而不是表面，它 们构成了块体材料；纳米材料和传统材料的本质差异在于 纳米材料中表面原子数占材料总原子数的比例非常高
14
STM工作方式
对于起伏不大的样品表面， 可以控制针尖高度恒定， 即z方向保持水平高度不 变，由于隧道电流随针尖 与样品表面原子之间的距 离有明显的变化，通过记 录隧道电流的变化也可以 得到样品表面的态密度分 布或原子排列的信息 这种扫描方式的特点是扫描速度快（没有反馈系统），能够 减少噪声和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面 起伏大于1nm的样品
8
STM概述
• STM的出现，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和与表面电子行为有关的物理化 学性质，标志着人类进入直接观察、操纵原子的新时 代，标志着在原子和分子水平根据人们的意志设计、 修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能 • STM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
15
STM的优点
原子级分辨率 真实表面（单原子层表面）的局域信息，而不是 体相的平均性质 实时表面信息，可以实现对表面反应、扩散等动 态过程的研究 表面形貌和电子态 无损探测 可用针尖操纵单个原子或分子，可对表面进行纳 米加工 使用环境宽松（不需要真空），价格相对较低， 应用领域宽广