第7章 扫描探针显微技术(SPM

扫描探针显微技术

第7章 扫描探针显微技术 章 (SPM) )

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7.1 概述 显微技术是人们认识材料微观结构的重要 途径，其发展历程是从光学显微镜——电 途径，其发展历程是从光学显微镜 电 子显微镜——扫描探针技术。 扫描探针技术。 子显微镜 扫描探针技术 一般的光学显微镜的分辨率 一般的光学显微镜的分辨率250nm, 扫描电子显微镜(横向分辨率 -5nm), 扫描电子显微镜(横向分辨率3- ), 不能用来直接观察分子和原子。 不能用来直接观察分子和原子。 扫描探针技术(STM横向 -0.2 nm,纵 扫描探针技术( 横向0.1- 横向 ， 可以直接观察分子、 向0.01nm),可以直接观察分子、原子。 ) 可以直接观察分子 原子。

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扫描探针技术(SPM)实际上一类显微术 扫描探针技术( ) 的总称， 的总称，都是在扫描隧道显微镜的基础上 发展起来的， 发展起来的， 其中最常用的有扫描隧道显微镜(STM) 其中最常用的有扫描隧道显微镜( ) 和原子力显微镜( ),这两种方法互 和原子力显微镜(AFM),这两种方法互 ), 为补充。 为补充。

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STM要求被测样品必须是导体或半导体， 要求被测样品必须是导体或半导体， 要求被测样品必须是导体或半导体 虽然不导电的样品可以通过镀金膜或碳膜 在其表面形成一层导电膜， 在其表面形成一层导电膜，但膜的粒度和 均匀性直接影响对真实表面的分辨率造成 失真。 失真。 AFM可用于非导体，但要求样品的粘度不 可用于非导体， 可用于非导体 能太大，否则将直接影响分辨率。 能太大，否则将直接影响分辨率。

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SPM技术的特点： 技术的特点： 技术的特点 (1)具有原子级的分辨率(横向0.1-0.2nm, )具有原子级的分辨率(横向 - , 纵向0.01nm); 纵向 ); (2)可以观察单个原子层的局部表面结构； )可以观察单个原子层的局部表面结构； (3)可以得到表面电子结构的有关信息； )可以得到表面电子结构的有关信息； (4)可以实时、实空间地观察表面的三维图像， )可以实时、实空间地观察表面的三维图像， 可以观测到表面的原子的扩散、迁移等过程。 可以观测到表面的原子的扩散、迁移等过程。 (5)可以在不同条件下，如真空、大气、常温、 )可以在不同条件下，如真空、大气、常温、 低温、高温、溶液等条件下工作， 低温、高温、溶液等条件下工作，不需要特别备 制样品，对样品无损伤， 制样品，对样品无损伤，能在缓冲溶液中直接观 察生物样品的表面结构，能在高温环境下工作。 察生物样品的表面结构，能在高温环境下工作。 (6)除了用于成像、显

微观测，还可以对表面的 )除了用于成像、显微观测， 原子、吸附的原子或分子进行移动， 原子、吸附的原子或分子进行移动，从而进行表 面纳米级加工

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7.2 扫描隧道显微镜 7.2.1隧道效应 金属中的自由电子具有波动性，当电子波(ψ) 金属中的自由电子具有波动性，当电子波( ) 向表面传播遇到边界时，一部分被反射( ), 向表面传播遇到边界时，一部分被反射(ψR), 而另一部分则可透过边界( ), ),从而在其表面 而另一部分则可透过边界(ψT),从而在其表面 形成电子云，电子云的密度随距表面的距离成指 形成电子云， 数衰减。当两金属靠得很近时， 数衰减。当两金属靠得很近时，表面的电子云可 以相互渗透，即金属1的透射波 的透射波ψT1与金属 的透 与金属2的透 以相互渗透，即金属 的透射波 与金属 射波ψT2相互重叠，在两金属间形成电流，这一 相互重叠， 射波 相互重叠 在两金属间形成电流， 现象被称为隧道效应， 现象被称为隧道效应，由此产生的电流为隧道电 隧道效应是粒子波动性体现， 流。隧道效应是粒子波动性体现，是一种典型的 量子效应。此时， 量子效应。此时，如果在两金属或半导体上施加 电压，则电子定向流动，形成隧道电流。 电压，则电子定向流动，形成隧道电流。

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STM的工作原理就是利用了电子隧道效应，用一 的工作原理就是利用了电子隧道效应， 的工作原理就是利用了电子隧道效应 个曲率半径R为原子尺寸的针尖在样品表面扫描 为原子尺寸的针尖在样品表面扫描， 个曲率半径 为原子尺寸的针尖在样品表面扫描， 当针尖与样品表面非常接近时， 当针尖与样品表面非常接近时，由于隧道效应可 在针尖与样品表面之间形成隧道电流: 在针尖与样品表面之间形成隧道电流 I∝ρs(0,EF)exp(-2kZ) ∝ 式中，ρs(0,EF)为样品表面费米能级 处的局域 式中， 为样品表面费米能级EF处的局域 为样品表面费米能级 态密度， 为针尖与样品的距离 为针尖与样品的距离， 为衰减系数 为衰减系数， 态密度，Z为针尖与样品的距离，k为衰减系数， K取决于针尖和样品的平均功函数以及针尖与样 取决于针尖和样品的平均功函数以及针尖与样 品间的电压。 增加0.1nm时，I减小 倍，可 减小10倍 品间的电压。当Z增加 增加 时 减小 见隧道电流I对样品表面的起伏是非常敏感的 对样品表面的起伏是非常敏感的( 见隧道电流 对样品表面的起伏是非常敏感的(纵 向分辨率可达0.01nm),当R和Z都小到原子尺 向分辨率可达 ),当 和 都小到原子尺 ), 度时， 度时，就可以得到样品表面原子排列和原子形态 的清晰的图

象。 的清晰的图象。

7.2.2 STM的工作原理

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STM有两种工作模式：恒流模式和恒压模式。 有两种工作模式： 有两种工作模式 恒流模式和恒压模式。 恒流：保持隧道电流I不变，使针尖上下移动而改 不变， 恒流：保持隧道电流 不变 变高度Z。 变高度 。 恒高：保持高度 ，使隧道电流 改变。 恒高：保持高度Z,使隧道电流I改变 改变。 针尖沿着 方向扫描，就可以得到表面三维的数 针尖沿着x/y方向扫描 方向扫描， 从而得到表面原子的分布， 据，从而得到表面原子的分布，通过计算机的数 据采集系统，转化成图象直接显示出来， 据采集系统，转化成图象直接显示出来，也可以 将数据转化成三维图象。二维图象，用景深表示z 将数据转化成三维图象。二维图象，用景深表示 方向的信息，三维图象更直接地表示。 方向的信息，三维图象更直接地表示。

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7.2.3 STM 仪器

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1 针尖 针尖的曲率曲径约为 针尖的曲率曲径约为0.1µm,可以得到原子 ， 级分辨率的图像， 级分辨率的图像，在进入隧道电流状态后 针尖尖端处往往能够形成单原子尖， 针尖尖端处往往能够形成单原子尖，针尖 的制备是STM中的关键问题，常用机械加 中的关键问题， 的制备是 中的关键问题 工铂铱合金针尖， 工铂铱合金针尖，或用化学腐蚀的方法制 取钨的针尖。化学腐蚀，加直流电压， 取钨的针尖。化学腐蚀，加直流电压，在 2mol/l NaOH 溶液中腐蚀。 溶液中腐蚀。

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2 三维扫描和控制器件 STM横向分辨率为0.1~0.2nm,xy方向的 扫描范围一般在几-几百nm,与其深度分 辨率0.01nm相适应，通常用压电陶瓷管的 三维控制器件。同时，为了避免外界震动 对扫描的影响，应加减震的阻尼系统。

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3 数据采集处理(微机) 数据采集处理(微机) STM的主要技术指标是分辨率，常用高定 的主要技术指标是分辨率， 的主要技术指标 …… 此处隐藏：1919字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……