扫描隧道显微镜优秀课件.ppt

,1/7/2020,#,扫描隧道显微镜,郭莉,1515073023,1,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,2,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,概况,1,、,STM,的产生背景,自从,1933,年德国科学家,Ruska,和,Knoll,等人在柏林制成第一台电子显微 镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如,透射电子显微,镜,(,TEM),、扫描电子显微,镜,(,SE,M,),、场离子显微,镜,(,F,IM,),等。但任何一种技术在应用中都会存在一定的局限性。,1981,年，,IBM(,国际商业机器,),公司苏黎世实验室的,葛,宾尼,(Gerd Binnig),博士和海,罗雷尔,(Heinrich,Rohrer),博士,及其同事们共同研制成功了世界,第一台新型的表面分析仪器,扫描隧道显微镜,(Scanning,Tunneling Microscope,，简称,STM),。,1986,年，,STM,的发明者宾尼和罗雷尔被授予,诺贝尔物理学奖,。,葛,宾尼,(Gerd,Binning),海,罗雷尔,(Heinrich,Rohrer),3,2,、,STM,出现的意义,概况,目前具有原子分辨率的科学仪器主要有三种,：透射电子显微镜,(TEM),，场离子显微镜,(FIM),和,STM,。,TEM,研究的是物体的体性质；,FIM,只能研究可制备程极细针尖的固体 样品表面原子，因此可研究的样品种类有限。,STM,利用电子在针尖和样品间的隧道效应产生的隧道电流，达到了原 子分辨率。,STM,的出现使人类第一次能够在实空间实时地观 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。如，,1983,年,G.Binning,等人首次给出了,Si(111)7x7,重构表面的实空间原子像。,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。,4,具有原子级高分辨率，分辨率横向,0.1nm,、纵向,0.01nm,。,可实时地得到在实空间中表面的三维图象。,可观察单个原子层的局部表面结构。,概况,3,、,STM,的优点,Atomic Resolution on,Pt(100),5,具有原子级高分辨率，分辨率横向,0.1nm,、纵向,0.01nm,。,可实时地得到在实空间中表面的三维图象。,可观察单个原子层的局部表面结构。,可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在,mK,到,1100K,范围，并且探测过程对样品无损伤。,概况,3,、,STM,的优点,UHV,6,Air,具有原子级高分辨率，分辨率横向,0.1nm,、纵向,0.01nm,。,可实时地得到在实空间中表面的三维图象。,可观察单个原子层的局部表面结构。,可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在,mK,到,1100K,范围，并且探测过程对样品无损伤。,通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的,原子操 纵或纳米加工,，构造所需的纳米结构。,概况,3,、,STM,的优点,7,在大气里，样品表面易存在物理吸附和化学吸附，,STM,很难得到稳定 的真实的样品表面结构图像，只能对包括高定向热解石墨,(HOPG),等少 数几种样品成原子像。,在,STM,的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不 能够准确探测，与此相关的分辨率较差。,STM,所观察的样品必须具有一定程度的导电性。,宾尼等人,1986,年研制作成功的原子力显微镜,(Atomic,Force,Microscope,，,AFM),弥补了,STM,这方面的不足。后来又陆续发展了一系列的扫描探针 显微镜,(Scanning Probe Microscope,，,SPM),，如磁力显微镜(,MFM,)、静 电力显微镜(,EFM,)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜(,PSTM,)等。,8,概况,4,、,ST,M,本身存在着的局限性,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,10,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,9,STM,的基本原理,10,STM,的基本原理,对于经典物理学来说，当一粒子的动能,E,低于前方势垒的高度,U,0,时，它不 可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。,而按照量子力,学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿 过比它的能量更高的势垒，,这个现象称为隧道效应,。,1,、隧穿效应,(Tunneling,Effect),STM,的工作原理是基于量子力学的,隧穿效应,。,STM,中最重要的概念隧穿电流,(Tunneling,current),可通过一维模型简单说明。,11,STM,的基本原理,1,、隧穿效应,(Tunneling,Effect),STM,的工作原理是基于量子力学的,隧穿效应,。,STM,中最重要的概念隧穿电流,(Tunneling,current),可通过一维模型简单说明。,由式中可见，透射系数,T,与势垒宽度,L,、能量差（,U,0,-E,）有着很敏感 的依赖关系，随着,L,的增加，,T,将指数衰减。,根据量子力学的波动理论，,电子穿过势垒的透射系数,0,12,U,2,T,16,E,(,U,0,E,),exp(,2,kL,),15,STM,的基本原理,2,、隧穿电流,(Tunneling Current),STM,是将原子线度的极细探针和样品的表 面作为两个电极，当样品与针尖的距离非 常接近时,(,通常小于,1 nm),，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，形成隧穿电流，其大小为：,式中,，,V,是针尖和样品之间的偏置电压，,z,为样品与针尖的距离，是平均功函数。,由前式可知，隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关 系，当距离减小,0.1nm,，隧道电流即增加约一个数量级。,因此，根据隧穿电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变 化的信息。,13,STM,的基本原理,2,、隧穿电流,(Tunneling Current),在一维模型中，隧穿电流,j,是偏压,V,、样品表面电子局域态密度、样品逸 出功和针尖与样品间距,z,的函数。当针尖,-,样品间偏压一定时，针尖,-,样品 间距、样品逸出功和样品表面电子局域态密度任一发生变化时，隧穿电 流都会发生变化。,因此，,STM,图像是样品表面原子几何结构和电子结构的综合效应的结果。,另外，在,STM,成像过程中，针尖起到了重要作用。,STM,图像原子分辨率 的解释必须考虑针尖的电子态以及针尖,-,样品间的相互作用。,14,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,15,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,STM,的仪器构造,STM,Instrumentation,16,23,STM,的仪器构造,STM,Instrumentation,STM,由具有减振系统,的,STM,头部,(,含探针和样品台,),、电 子学控制系统和包括,A/D,多 功能卡的计算机组成。,Tip,Scanner,Sample,positioner,Vibration,isolation,Control,electronics Pre-amplifier,Feedback,Scan,control,Computer,and,software,17,超高真空变温,STM,装置,STM,的仪器构造,STM,主要包括两部分：,机械部分：,STM,针尖、压电扫描器、振动,隔离器、粗调定位器,控制系统：,ST,M,电路、计算机接口、显示 设备、控制软件,对于超高真空,STM,还包括真空系统、样品传送设备和变温系统,24,18,STM,的仪器构造,STM,工作过程,在,STM,操作中，样品在扫描 的时固定不动，针尖由特制 针尖架装在,单管扫描器,上并 随之运动，扫描,器,X,，,Y,，,Z,三个方向的扫描范围可达,15,m,15,m,15,m,。,压电扫描器装在三维,压电惯 性步进器,上，遥控惯性步进 器实现针尖粗调移动，整个 过程,由,CC,D,相机和显示器监 控，,X,，,Y,，,Z,三个方向的 移动范围可达,10 mm,10 mm,10,mm,。,振动隔离,通过悬挂弹簧和涡,流阻尼器实现。,25,19,样品台,(Sample Stage),STM,的仪器构造,通过铜线与样品 台相连，利用热 传导降低样品温 度,20,STM,的仪器构造,21,电子学控制系统,STM,要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样,品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流 模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系 统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有 这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,40,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,22,STM,的工作模式,STM,Operation,Modes,恒高模式,是在扫描过程中切断反馈 回路保持针尖的高度不变，记录隧 道电流的大小值。,针尖的,x-y,方向仍起着扫描的作用，而,z,方向则保持绝对高度不变，由 于针尖与样品表面的相对高度会随 时发生变化，因而隧道电流的大小 也会随之明显变化，通过记录扫描 过程中隧道电流的变化亦可得到表 面态密度的分布。,特点是：扫描速度快，能减小噪音,和热漂移的影响，但样品表面的其,幅度应小于,1nm,。,23,STM,的工作模式,STM,Operation,Modes,恒流模式,是通过反馈回路在偏压不 变的情况下保持隧道电流恒定，记 录,z,向压电扫描器的伸缩情况，得到 一个等电流面。,利用压电陶瓷控制针尖在样品表面,x-y,方向扫描，而,z,方向的反馈回路 控制隧道电流的恒定，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，这样探针在垂 直于样品方向上高低的变化就反映 出了样品表面的起伏。,现代的,STM,一般不再严格区分恒流模式和恒高模式，而是通过,调节反馈增益的大小,来改变,STM,针尖的纵向运动的灵敏度，以 取得满意的,STM,图像。,24,STM,的工作模式,25,STM,的工作模式,26,影响仪器分辨率和图像质量的因素,主要有以下几点：,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。,STM,的实验步骤,27,准备针尖和样品,手动逼近样品和针尖，使之距离约为,1mm,；切忌使针尖与样品发 生相撞；,设置参数：隧道电流；针尖偏压；软件控制马达，使针尖自动逼 近进入隧道区；,根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700900nm，石 墨一般取515nm)；,根据不同的模式设置不同的扫描速度(恒流模式一般要较慢扫描，恒高模式可较快扫描)，然后开始扫描。,得到扫描图像后，可进行一定的图像处理。,实验结束后，一定要先使用软件控制马达自动退达,1000,步以上。,关闭系统,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,28,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,STM,的应用,29,金属、半导体表面的原子重构结构,在超高真空中沉积样品到基底表面，可以研究样品在基底 的成核、生长以及可控的样品表面吸附过程。,在不同温度下实现对样品表面成像，研究样品表面原子结 构和电子结构变化过程，可获得样品原子在表面的迁徙和 表面重构形成的动力学过程。,通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面 的原子操纵或纳米加工构造所需要的结构。,STM,的应用,金膜表面的原子团簇图像扫描,STM,图像反映的是表面局域态密度的形貌，这些形貌,正好反映了表面势垒的形状，表面势垒的形状与表面 原子位置密切相关。因此，,STM,图像直接反映了金属 表面的几何结构。由于颗粒比较大，所以,避免采用恒 高模式，而用恒流模式进行扫描,。,30,STM,的应用,金膜表面局域原子结构像扫描,在,STM,研究的初期，很难观察到原子分辨率的金属表面。随着理论和实验的进 展，大量金属清洁表面都得到了原子分辨的,STM,像，包括,Au(111),、,Ag(111),、,Cu(111),、,Pt(100),、,Pt(111),等。理论上，考虑针尖电子态和针尖,-,样品间的相互作 用，基本上解释清楚了原子分辨的金属表面,STM,像。,31,STM,的应用,高序石墨原子,(HOPG),图像的扫描,扫描隧道显微镜扫描原子图像时，通常选用石墨作为 标准样品。石墨中的原子排列成层状，而每一层的原 子则呈六边形周期排列，由于石墨表面比较平整，而,且原子高度一般不超过,1nm,，为了更高速度和更高质,量的扫描，建议使用恒高扫描模式。,32,STM,的应用,33,58,STM,的应用,Si(111),surface,单晶硅为金刚石结构，,(111),面是硅的自然解离面。解离 后，,(111),面的每个,Si,原子具 有一,个,sp3,悬挂键，即垂直表 面的,sp3,杂化轨道上只有一个 电子。,因此，,Si(111)1x1,表面具有金,属电子结构特性，但很不稳 定。,S,p,3,悬挂键再次杂化导致,Si(111),面发生重构，在不同 温度下表现出不同的重构表 面。,Schematic diagram,of,unconstructed Si(111),surface,34,STM,的应用,59,STM,的应用,STM,探测的是电子态，因此,STM,形貌像的解释取决于所建立的结构模型。,在,Si(111)7x7,重构表面的模型中，,Takayanag,等人提出的,二聚体,-,顶戴原子,-,层错模型,(dimmer-adatom-stacking,fault,DAS),比较合理。,Si(111),surface,69,STM,的应用,Si(111),surface,37,扫描隧道显微技术,Scanning Tunneling,Microscopy,38,Introduction,Quantum tunneling in,STM,STM,Instrumentation,STM,Operation,modes,STM,Examples,Manipulation of individual,atoms,80,STM,的原子操纵,STM,不仅能在原子尺度上观察样品表面结构，而且可通过针尖,-,样品间强 的相互作用，可以对样品表面的原子,-,分子或吸附的原子、分子进行操作。,原子操纵,就是在原子结构的本底上，对单个原子或分子进行移动、取出或 植入操纵，并形成规则结构，其尺度在几埃到几十埃范围内。,原子操纵的实现对于研究微观、介观物理、化学意义重大，而且在人造分 子和纳米器件的研究中具有诱人的应用前景。,原子操纵可分两种情况，即,平行移动式,和,垂直起落式,。,平行移动式,：在原子操纵过程中，吸附在固体表面的原子或分子沿表面移 动，此时吸附原子和表面间的键并未被打断，即始终在吸附势阱中。,垂直起落式,：吸附原子、分子或固体表面的原子、分子从表面转移到针尖 上，或针尖表面的原子、分子转移到固体表面上。,主要实验方法有,：接触 或近接触转移、电压脉冲法、低偏压大隧道电流法等。,主要理论模型有,：场蒸发模型、化学键模型、隧道电子的非弹性散射形成的电子态激发或振 动激发模型等。,理论表明，在针尖影响下，吸附原子在针尖下取势能极小值，移动针尖相,当于加一个随时间变化的外加势场，吸附原子在它的影响下运动。,39,STM,的原子操纵,40,STM,的原子操纵,41,STM,的原子操纵,世界首例,STM,原子操纵,42,STM,的原子操纵,43,STM,的原子操纵,44,STM,的原子操纵,Iron,atoms on,the surface of,Cu(111),45,原子力显微镜,(AFM),磁力显微镜,(MFM),摩擦力显微镜（,LFM,）,静电力显微镜,(EFM),弹道电子发射显微术（,BEEM,）,扫描离子电导显微镜（,SICM,）,扫描热显微镜,扫描隧道电位仪（,STP,）,光子扫描隧道显微镜（,PSTM,）,扫描近场光学显微镜（,SNOM),在,STM,基础上发展起来的一系列扫描探针显微镜扩展了微 观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展提供了很 好的技术支持。,STM,基础上发展起的,SPM,46,