现代分析测试技术-扫描探针显微分析技术课件.ppt
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- 现代 分析 测试 技术 扫描 探针 显微 课件
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1、 20世纪世纪80年代初期,扫描探针显微镜(年代初期,扫描探针显微镜(SPM)因首次在实空间展现了硅表面的原子图像而震动了因首次在实空间展现了硅表面的原子图像而震动了世界。世界。从此,从此,SPM在基础表面科学、表面粗糙度分析在基础表面科学、表面粗糙度分析和从硅原子结构到活体细胞表面微米尺度的突出物和从硅原子结构到活体细胞表面微米尺度的突出物的三维成像等学科中发挥着重要的作用。的三维成像等学科中发挥着重要的作用。非接触式原子力显微镜非接触式原子力显微镜 扫描探针显微镜是一类仪器的总称,它们以从原子到微扫描探针显微镜是一类仪器的总称,它们以从原子到微米级别的分辨率研究材料的表面特性。米级别的分辨
2、率研究材料的表面特性。4.1 扫描隧道显微镜(扫描隧道显微镜(STM)STM是所有扫描探针显微镜的祖先,它是是所有扫描探针显微镜的祖先,它是1981年年Gerd Binning和和Heinrich Rohrer在苏伊士在苏伊士IBM实验室发明的。实验室发明的。这这是第一种能够在是第一种能够在实空间实空间获得表面原子结构图像的仪器。获得表面原子结构图像的仪器。量子隧道效应量子隧道效应 由于电子的隧道效应,金属中电子云密度并不在表面由于电子的隧道效应,金属中电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰减,衰减长度约为减,衰
3、减长度约为1nm1nm。用一个极细的、只有原子线度的金。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针,将它与被研究物质属针尖作为探针,将它与被研究物质(称为样品称为样品)的表面作的表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离距离1nm)1nm)时,时,两者的电子云略有重叠,如图两者的电子云略有重叠,如图2 2 所示。所示。图图2 金属表面与针尖的电子云图金属表面与针尖的电子云图 A为具有原子尺度的针尖,为具有原子尺度的针尖,B为被分析样品。为被分析样品。STM工作时,工作时,在样品和针尖间加一定电压,当样品与针尖间的距离接近约在样品和针尖间加一定电压,当
4、样品与针尖间的距离接近约1nm时,由于时,由于量子隧道效应量子隧道效应,样品和针尖间产生,样品和针尖间产生隧道电流隧道电流。要求:要求:样品为样品为导体或半导体导体或半导体隧道电流隧道电流I表征样品和针尖电子波函数的重叠程度。表征样品和针尖电子波函数的重叠程度。其中其中Vb为针尖与样品之间所加的偏压,为针尖与样品之间所加的偏压,为针尖与样品的为针尖与样品的平均功函数,平均功函数,A为常数,为常数,d为针尖与样品间的距离。为针尖与样品间的距离。在真空条件下,在真空条件下,A 近似为近似为1,由上式可算得:当距,由上式可算得:当距离离d减少减少0.1 nm时,时,I将增加一个数量级,即将增加一个数
5、量级,即隧道电流隧道电流I对样品表面的微观起伏特别敏感。对样品表面的微观起伏特别敏感。具有高于具有高于0.1 nm的的垂直精度和原子级的横向分辨率垂直精度和原子级的横向分辨率。根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同,根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同,可将可将STM分为分为恒电流模式恒电流模式和和恒高度模式恒高度模式。1.恒电流模式恒电流模式:样品表面高低起伏样品表面高低起伏d变化变化I变化变化电子反馈系统,驱动电子反馈系统,驱动针尖随样品高低变化而做升降运动,针尖随样品高低变化而做升降运动,确保确保I保持不变保持不变。针尖在样品表面扫描时的运动轨迹,直接反应了样品表面针尖在样品表面扫
6、描时的运动轨迹,直接反应了样品表面态密度的分布,而在一定条件下,样品的表面态密度与样品表态密度的分布,而在一定条件下,样品的表面态密度与样品表面的高低起伏程度有关,此即恒电流模式。面的高低起伏程度有关,此即恒电流模式。2.恒高度模式恒高度模式:若控制针尖在样品表面若控制针尖在样品表面某一水平面上某一水平面上扫描,针尖的运动,扫描,针尖的运动,则随着样品表面高低起伏,隧道电流则随着样品表面高低起伏,隧道电流I不断变化,通过记录不断变化,通过记录I的的变化,可得到样品表面的形貌图,此即恒高度模式。变化,可得到样品表面的形貌图,此即恒高度模式。恒电流模式恒电流模式是目前是目前STM常用的工作模式,常
7、用的工作模式,适合于观察表面适合于观察表面起伏较大的样品起伏较大的样品;恒高度模式适合于观察表面起伏较小的样品恒高度模式适合于观察表面起伏较小的样品,一般不能用于观察表面起伏大于一般不能用于观察表面起伏大于1 nm的样品。的样品。如何精密控制针尖相对于样品的运动?这是如何精密控制针尖相对于样品的运动?这是STM的主要技术问题。的主要技术问题。常用常用STM仪器中针尖的升降、平移运动均采用仪器中针尖的升降、平移运动均采用压电陶瓷制成的部件压电陶瓷制成的部件控制。在压电陶瓷材料上施加一控制。在压电陶瓷材料上施加一连续变化的电压,与之相连的针尖就可以在垂直方向连续变化的电压,与之相连的针尖就可以在垂
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