扫描隧道显微镜 - 吉林大学物理实验教学中心

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* *
三.扫描隧道显微镜的结构 一般说来隧道扫描显微镜可以分为三大部分：隧道显微镜 主体、控制电路、计算机控制（测量软件及数据处理软件）。 1.三维扫描控制器 隧道显微镜主体包括针尖（或样品）的平面扫描机构、样 品与针尖间距离控制调节机构、系统与外界振动等的隔离装置。 世界各国实验室发展了有各自特色的STM，其中比较常用的扫 描机构（x,y, z三维细调）是压电陶瓷扫描管或压电陶瓷杆组成 的三维互相垂直的位移器。
•
• 首先来了解一下理论上石墨晶体结构图形，如下图所
示：
•
石墨晶体具有层状结构，层间距离为0.335 nm，相临 两层之间原子并不一一对应，层分布为AB型，其中α,β代 表表面层原子，α′,β′代表次表面层原子。α类原子的正下 方有最近邻下层的原子与之相临；β类原子的正下方没有 最近邻下层的原子与之相临。层内原子成六边形排布，层 内最近原子间距离为0.142 nm。层内α类（β类）原子间 最近距离为0.246 nm。石墨中每个C原子两个2S与一个2P 电子发生SP2杂化，每个原子的三个电子分别与相临最近 的原子电子形成三个键角为120o的C-C单键。层内所有未 杂化电子充作离域电子从而形成贯穿全层的多原子大键。 σ键使C原子局域电子态密度分布具有三重对称性，即 从理论上分析石墨表面STM图像应如下图所示:
• 2 光栅表面结构的STM研究
２.１首先分析光栅的表面结构 实验中采用的是实验室提供的 光栅样品，其表面结构，已知简单 呈“十”字型网格结构 .
图（7）光栅表面STM图象
• 由图（7）可以看出在扫描wk.baidu.com围对角线上，有四条完整刻痕的
间距，若设刻痕的宽度为d,则有 • 求得:
•
4d 1900 2
• 从而得到光栅的刻痕宽度为671.8 nm，约为0.672微米。
子也都显示出其电子态具有三重对称性的信息（成三角形分布）。 • 最后一个问题就是原始STM图像中，每个原子电子态分布（即图中 的暗斑）的横向与纵向分布是不一致的。这在具有很好对称性分布的 原子表面结构是不应该出现的，原因应该在于仪器本身的问题。理论 中我们把探针尖视为单原子模型，这种情况下STM的各向分辨率是相 同的，针尖的波函数对实验数据没有明显的影响，实验图像才能交好 的反应样品的表面电子态密度分布情况。但在本实验中，制备针尖时， 我们采用的是最为简单的机械成型法。制作好针尖后，明显可以观察 到针尖尖端略微成片状且已经弯曲。这样的针尖尖端已不可能是单原 子，其原子排布也是不规则的，其对样品表面电子态各方向分布信息 进行采集时，必然会出现偏差（即各方向分辨率不一致），从而造成 原始STM图像中出现的问题。 • 综上所述，STM的确能在原子尺度上对样品表面进行较为精确的观 察与分析。但由于其自身的固有分辨率限制，可能“遗漏”一些细节， 从而造成在STM图像中并不能观察到样品表面所有的信息。为了能够 对各种物质表面进行更加精确观察，在现有的条件下提高仪器分辨率， 减少系统误差是十分必要的。由STM的工作机理，可知仪器分辨率及 精度的提高很大程度上取决于针尖制备的情况，所以运用更为科学， 更为精确的方法制备针尖是本实验中需要改进方面。
I
2 e
f ( E )[1 f ( E eV )] M
2
( E E )
• （１－２）
其中f(E)为费米统计分布函数：
1 f (E) E EF 1 exp( ) T
• 式中Ψ是波函数，括号中的量是电流算符，积分遍及那
些完全处于真空势垒区域中的电极表面。众多的理论都 是基于（1-2），（1-3）式，不同之处在于如何处理探 头和样品各自单独存在时的本征态；如何假设隧道结的 势垒，以及如何讨论温度和偏压的影响。
f
(l )
(i ) f
( l 1)
(i)
k

i
'
p(k , i)d (k ) p(k , i ' ) f (l 1) (i ' )
p (k , i )
k
• 约束条件 fi bi （迭代过程中强度fi 的下限是测量的本底bi ） • 迭代50步后便可得到下图：
• 从图中可以观测到在原始STM图像中无法分辨的α类原子，且每个原
ko e J ( )VT exp(2ko s) 2 h 4 s
• （1-1）
2
• 其中
k h m(1 2 ) h m
• f1和f2为功函数，s为两个电极的间距。
• 当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用
隧道结构的三维理论来计算隧道电流。基于 Bardeen隧道电流理论，其隧道电流公式为：
• 归纳起来与其他表面分析技术相比，STM具有如 • •
下独特的优点： 1. 具有原子级的高分辨率，STM 在平行于样品 表面方向上的分辨率分别可达 0.1 nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子。 2．可实时得到实空间中的样品表面的三维图像， 可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的 研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等 动态过程的研究。 3．可以观察单个原子层的局部表面结构，而不 是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观 察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和 位置，以及由吸附体引起的表面重构等。
扫描隧道显微镜
——有关STM图像与理论原子分布图像
之间的差异分析
一引言:
• 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛· 宾尼（G．Binning）
和海· 罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道 显微镜（Scanning Tunneling Micro－scope，简称 STM）.STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质 表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，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 意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年 代世界十大科技成就之一.为表彰STM的发明者们对科学研 究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔 物理学奖金．
• 四.对实验结果的分析
• 实验中我们利用
NanoView—AJ-I型扫描隧道 显微镜对高序石墨样品表面 与光栅表面进行扫描,扫描 模式为恒流模式。 在得到的实验图像中，高序 石墨样品的表面STM图像与 理论石墨表面原子分布模型 有很大的差别，所以现做如 下的分析讨论，希望能够利 用已掌握的物理知识来解决 这个问题。
是微观粒子具有波动性所产生的。由量子力学可知当一粒子进入一
势垒中，势垒的高度fo比粒子能量E大时，粒子穿过势垒出现在势垒 另一边的几率 p(z)不为零，如图9-1所示。如果两个金属电极用一非 常薄的绝缘层隔开，在极板上施加电压VT，电子则会穿过绝缘层由 负电极进入正电极。这称为隧道效应，此时电流密度为：
• 扫描隧道显微镜之所以得到发明并且迅速发展，是由于微电
子学以极快的速度发展的缘故。作为电子计算机核心部份的 硅集成块的集成度要求愈来愈高，其尺寸愈来愈小，所带来 的问题是集成块表面积与体积之比的急剧增大，此时在集成 块的工作状态中，以及它与其它逻辑元件的相互作用中，表 面状态变得愈来愈重要。除此以外，在物理、化学及生物过 程中，真实表面状态的研究也有其重要意义。透射电镜虽有 很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是很薄样品的内部 信息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。扫描电镜 的发明，虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于 高能电子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映 “真实”表面状态。针对这一问题，宾尼与罗雷尔于1982年 发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内，分辨率就达到 了原子水平。
•
• 那么下面我们来看一看实验得到的石墨表面STM图像
•
在图像中我们无法得到原子成六边形分布的信息，这明显与理论
分析有很大的差距。那么首先来分析实际得到的STM图像中信息。图
像中凸起部分呈规则的分布,且每个突起大小一致,形状也较为规则。 这的确符合一些晶体表面分布的条件。我们不妨把这些突起视为表面
密度分布必有较大的差异，那么前面的理论分析中忽略了石墨相邻两
层之间的相互作用是不妥当的。
•
对β类原子（正下方没有临近的原子），可以近似认为其零阶哈 密顿量（H0）矩阵的非对角元均是零，造成局域电子波函数是二重简 并的，这就使得β位的原子 费米能级Ef附近的局域电子态密度较大；α 类原子由于和其正下方的原子的相互作用较强，哈密顿量矩阵的非对 角元不全为零，这样使得α位的原子费米能级Ef附近的局域电子态密 度要有所减少。STM成像时只有费米能级Ef附近很窄能量范围内的量 子态上的电子对隧道电流才会有贡献，即STM探测到了位绝大部分的 电子态，而却只探测到了α位原子电子态中很少的一部分，制使在 STM原始图象中几乎无法观察到α位的原子。 石墨相邻两层之间（相距0.335 nm）的相互作用为范德华力，通 常情况下要远弱于分子内或原子间成键的相互作用，所以不予考虑是 有一定道理的。层内每个碳原子中三个电子分别成C-C单键，另一个 2P电子视为整个层面间内的“自由”电子，那么当考虑层间相互作用 范德华力对自由电子作用应是首先给予考虑的。我们已经将层内原子 分为α,β两类，易知范德华力对α类原子自由电子作用应是相对最为明 显的。下面让我们来分析一下相邻两层原子之间相互作用对其表面电 子态的影响。
1990年，IBM公司的科学 家展示了一项令世人瞠目结 舌的成果，他们在金属镍表 面用35个惰性气体氙原子 组成“IBM”三个英文字 母。
这是中国科学院化学所的科 技人员利用纳米加工技术在 石墨表面通过搬迁碳原子而 绘制出的世界上最小的中国 地图。
• 二.实验原理 • 1.隧道电流
• 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。隧道效应
• 最后我要特别感谢实验指导教师贺天民老
师，没有老师对实验知识耐心讲解及在实 验中的细心指导，我们是无法顺利完成实 验的。
• 也要感谢学院和各位老师,同学给我这个机
会，来讲述这些我所感兴趣的问题。
•
• 对于层内C原子局域电子态密度分布具有三重对称性结论，
即便考虑到层间的范德华力作用也应是正确的。但这样的 信息我们无法直接从STM图像中得到，究其原因是原子的 电子云并不是完全分离的，恰恰相反由于原子间的C-C键， 原子的电子云在很大程度上是重叠在一起的，即相临两原 子电子态是叠加的。这样预期成正三角形分布信息由于电 子态叠加及STM自身有限的分辨率等原因，无法在原始的 STM图像直接观察到。但这种具有三重对称分布信息的确 包含在原始的STM图像中。对于这一点已经有人通过数学 手段得到证实，方法如下： 利用Richardson—Lucy 迭代公式的直接解调算法，其 迭代公式为：
上某些原子分布的图像。估测“原子”间距为0.25～0.27 nm。很明
显两个相邻突起不可能成为层内相邻原子（0.142 nm），但其间距十 分接近层内α(或β)类原子间距（0.246 nm）。这种情况下，我不妨做
如下推断：
•
α(或β)类原子由于某种原因，其电子态信息无法在STM图像上显 示出来（或由于STM），由STM工作机理可知α与β类原子外层电子态
•
• 5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关
表面电子结构的信息，例如表面不同层次 的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表 面势垒的变化和能隙结构等。 • 4．可在真空、大气、常温等不同环境下工 作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需 要特别的制样技术并且探测过程对样品无 损伤．这些特点特别适用于研究生物样品 和在不同实验条件下对样品表面的评价。 • 6．利用STM针尖，可实现对原子和分子 的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展 奠定了基础。