《现代分析技术》STM.ppt

* 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 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 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] 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。 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 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。 △ 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、