扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍-p课件.ppt

1、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜( (Scanning Tunneling Microscope，STM）原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscope , AFM）报告人：董卫民报告人：董卫民 施淑颖施淑颖1ppt课件 1.STM1.STM的发明的发明 1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)。 它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、

2、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。 STM的发明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；由于这一杰出成就宾尼和罗雷尔获得了1986年诺贝尔物理奖。葛宾尼海罗雷尔世界上第一台扫扫描道显微镜2ppt课件2.STM2.STM的原理的原理扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E 低于前方势垒的高度V0 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

3、，粒子可以穿过比它能量更高的势垒粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图)这个现象称为隧道效应。 3ppt课件2.STM2.STM的原理的原理隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：022()02016()am VEE VETeV由公式可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，几乎观察不到粒子隧穿势垒的现象。4ppt课件2.STM2.STM的原理的原理隧穿电隧穿电流流STM是将原子限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

4、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：12exp()bIVAS V是加在针尖和样品之间的偏置电压A 为常数，在真空条件下约等于1为物质表面的平均功函数S是针尖和样品之间距离 I是隧道电流隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离S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，当探针在样品表面扫描时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，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。 5ppt课件3.STM3.STM的工作模式的工作模式恒流模式恒流模式 x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反

5、馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。6ppt课件3.STM3.STM的工作模式的工作模式恒恒高模式高模式在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。7ppt课件3.STM3.STM的仪器构造的仪器构造STM由具有减振系统的头部(含

6、探针和样品台)、电子学控制系统和计算机组成。压电陶瓷或晶体由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。扫描控制器件。8ppt课件3.STM3.STM的仪器构造的仪器构造所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多晶体，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3(简称PZT)

7、和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。图中为三脚架型，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，在电场的作用下三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动，从而控制针尖在样品表面进行高精度的扫描。9ppt课件4.STM4.STM的应用的应用u “看见看见”了以前所看不到的东西了以前所看不到的东西STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原

8、子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面的原子、分子状态清晰可见。10ppt课件4.STM4.STM的应用的应用u 实现了单原子和单分子操实现了单原子和单分子操纵纵利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键可以实现单分子操纵。1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人震惊的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体原子组成“IBM

9、”三个英文字母。世界首例STM原子操纵11ppt课件4.STM4.STM的应用的应用u 单分子化学反应已经成为现实单分子化学反应已经成为现实单原子、单分子操纵在化学上是一个极具诱惑力且具有潜在应用 “选键化学”，可以对分子内的化学键进行选择性的加工。一个直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。u 在分子水平上构造电子学器件一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压的增大而增加。但在单分子尺度下

10、，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物理现象负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把C60移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。12ppt课件5.STM5.STM的优缺点的优缺点优点优点u 具有极高的分辨率u 得到的是实时的、真实

11、的样品表面的高分辨率图象u 使用环境宽松u 应用领域是宽广的u 价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的缺点缺点u 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，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。u 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。u 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，钨探针在潮湿的环境中易生锈。13ppt课件原子力显微镜原子力显微镜（Atomic Force Microscop

12、e , AFM）14ppt课件1. AFM1. AFM的发明的发明AFM是在STM基础上发展起来的一类显微镜，通过探测极小探针与样品表面之间的相互作用力的大小而获得表面信息。1986，IBM，葛宾尼发明了原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope ) 新一代表面观测仪器。15ppt课件2. AFM2. AFM的原理的原理原子力显微镜利用微悬臂感受和放大悬臂上探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端

13、有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面的形貌信息。16ppt课件3. AFM3. AFM的工作模式的工作模式接触模式 (contact mode) 非接触模式 (non-contact mode)轻敲模式 (tapping / intermittent contact mode)17ppt课件3. AFM3. AFM的工作模式的工作模式 针尖始终与样品接触并简单地在表面上移

14、动，针尖与样品间的相互作用力是互相接触原于的电子间存在的库仑排斥力，其大小通常为108 1011N。van der Waals force curve接触式接触式l优点：可产生稳定、高分辨图像。l缺点：可能使样品产生相当大的变形，对柔软的样品造成破坏，以及破坏探针，严重影响AFM成像质量。18ppt课件3. AFM3. AFM的工作模式的工作模式非接触式非接触式针尖与样品间相互作用力是范德华吸引力。在针尖上加小的振荡信号，针尖和样品间距是通过保持振幅恒定来控制的。l 优点：对样品无损伤 l 缺点：分辨率要比接触式的低。图像数据不稳定。19ppt课件4. AFM4. AFM的工作模式的工作模式轻

15、敲式轻敲式van der Waals force curve 介于接触模式和非接触模式之间:其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触模式更大的振幅(5-100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。 特点： 分辨率几乎同接触模式一样好；接触非常短暂，因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失。20ppt课件4. AFM4. AFM的工作模式的工作模式样片表面凝结的水滴对不同测试模式的干扰不同模式对样品的干扰21ppt课件5. 5. 探针对测试的影响探针对测试的影响22ppt课件6. AFM6. AFM的优缺点的优缺点l 优点:可以直接对绝缘体材料进行测试，不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害并且对样品表面形貌产生影响。具有高分辨率，三维立体的成像能力，操作简单,对附属设备要求低.l 缺点:对试样仍有较高要求,特别是平整度.实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应).仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合23ppt课件24ppt课件谢谢大家！25ppt课件