扫描隧道显微镜STM

扫描隧道显微镜目录1.STM的发明 2.STM的原理 3.STM的工作模式 4.STM的工作环境 5.STM的应用 6.STM的优势 7.STM的局限性1.STM的发明1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所 的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer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、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Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。世界上第一台扫描隧道显微镜1.STM的发明2.STM的原理2.STM的原理l隧道效应l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，粒子可以穿过比 它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。2.STM的原理图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。 2.STM的原理扫描隧道显微镜的基本 原理是将原子线度的极细 探针和被研究物质的表面 作为两个电极，当样品与 针尖的距离非常接近 (通常 小于1nm) 时，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。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝 等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流） 隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和 样品之间距离S以及平均功函数有关：Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数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2.STM的原理2.STM的原理隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有 着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电 流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流 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，如果同时对x-y方向进行扫描 ，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这 就是扫描隧道显微镜的工作原理。 3.STM的工作模式l恒流模式l x,y方向起着扫描作用，而Z 方向具有一套反馈系统，初 始的隧道电流为一恒定值， 当样品表面凸起时，针尖就 会后退，以保持隧道电流的 值不变；当样品表面凹进时 ，反馈系统将使针尖向前移 动，计算机记录了针尖上下 移动的轨迹，合成起来，就 可给出样品表面的三维行貌 图。3.STM的工作模式l恒高模式l x,y方向仍起着扫描的 作用，而Z方向则保持 水平高度不变，由于隧 道电流随距离有着明显 的变化，只要记录电流 变化的曲线，就可以给 出高度的变化4.STM的工作环境l大气和室温条件l在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和MS2(二 硫化钼) 3nm×3nm表面的原于图像。对于在大气中容易被氧化的半导体 或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原子结构图 像，而超高真空的环境是必要的。(a)(b)l超高真空和室温条件l在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图 。在超高真空腔内，可以用多种方法将 样品表面清洁干净，如常用于金属表面 清洁处理的离子枪轰击和常用于半导体 表面清洁处理的直接电流预热处理等。 在超高真空中，清洁处理后的样品可以 保持长时间干净，不被氧化。对样品表 面原子结构进行重构后，就可以用STM 观察样品表面的原子结构图像。l图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。 其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流 为0.6nA。4.STM的工作环境l超高真空和高温条件lSTM可以在高温的条件下工作，这 对于观察半导体和金属等材料表面 的高温相变是非常重要的。高温工 作的STM必须具备十分良好的温度 补偿功能，否则，样品表面的温度 漂移将使我们无法看到相同区域的 原子表面结构。l图是在860OC时用STM实时地观察 S(111)表面上形成7x7结构的重构过 程。从图中可以看到，大部分7x7结 构已经形成，但是在图的右上角区 域尚未完成表面原子的重构。4.STM的工作环境l超高真空和低温条件l温度对于材料表面上原子和分子的稳 定性是一个非常重要的条件。例如， 在室温时，金属材料表面上的金属原 子大多不稳定，而吸附在样品表面上 的C60分子更是始终在旋转着，无法 稳定。同时，材料的电子特性研究在 很多情况下也要求低温的条件。l低温时，样品的原子表面结构可以保 持非常稳定的状态。图是一组低温 STM的系列图片。实验时，样品被液 氯冷却到约15OK的温度，每隔45分 钟扫描一幅图片。从图中可以发现， 样品的原子表面结构十分稳定，从右 到左的热飘移仅为每小时一个原子左 右(0.3nm左右)。4.STM的工作环境l溶液条件l化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化 学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分 子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。4.STM的工作环境溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图l溶液条件4.STM的工作环境图是有机分子苯在Rh(111)3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘- 金)表面上的单层吸附结果。实验时，在 0.1M的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM( 微摩尔)浓度的有机分子卟啉。5.STM的应用l“看见”了以前所看不到的东西lSTM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 面结构的原子、分子状态清晰可见。5.STM的应用l实现了单原子和单分子操纵l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。5.STM的应用l单分子化学反应已经成为现实l单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现“选 键化学”对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个极具挑 战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈尔大学 Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表面的单 个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同时，他 们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研究产物 分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分子倾 斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。l一个更为直观的例子是由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。5.STM的应用l在分子水平上构造电子学器件l我们知道，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，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”，然后再把粘有C60分子 的针尖移到另一个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。6.STM的优势l具有极高的分辨率l得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象l使用环境宽松l应用领域是宽广的l价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的7.STM的局限性l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.l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。l扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材 料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。