扫描隧道显微镜STM
24页1、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
2、,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
3、,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)2nm2nm 和MS2(二 硫化钼) 3nm3nm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,
4、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
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