PPT《实验3.5 扫描隧道显微镜》

实验3.

5 扫描隧道显微镜 实验目的 学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构;

观测和验证量子力学中的隧道效应;

学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程,并以之来观测样品的表面形貌;

学习用计算机软件处理原始图象数据. 实验原理

一、引言 1982年,IBM瑞士苏黎士实验室的葛・宾尼(G.Binning)和海・罗雷尔(H.Rohrer)研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Micro-scoPe,简称STM).STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景,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.为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金. 原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代,但在漫长的岁月中,原子还只是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节,光学显微镜使人类的视觉得以延伸,人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体,但由于光波的衍射效应,使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m. 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元,扫描电子显微镜(SEM)的分辨率为10-9m,而高分辨透射电子显微镜(HTEM)和扫描透射电子显微镜STEM)可以达到原子级的分辨率――0.Inm,但主要用于薄层样品的体相和界面研究,且要求特殊的样品制备技术和真空条件. 场离子显微镜(FIM)是一种能直接观察表面原子的研究装置,但只能探测半径小于

100 nm的针尖上的原子结构和二维几何性质,且样品制备复杂,可用来作为样品的材料也十分有限. X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器,不能给出样品实空间的信息,且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究. 与其他表面分析技术相比,STM具有如下独特的优点:1. 具有原子级高分辨率,STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.I nm 和0.01 nm,即可以分辨出单个原子. 这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图. 2.可实时得到实空间中样品表面的三维图像,可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究,这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究. 3.可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是对体相或整个表面的平均性质,因而可直接观察到表面缺陷.表面重构、表面吸附体的形态和位置,以及由吸附体引起的表面重构等. 硅111面7? 7原子重构象 为了得到表面清洁的硅片单质材料,要对硅片进行高温加热和退火处理,在加热和退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合,结构发生较大变化,这就是所谓的重构. 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作,样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤.这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价,例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等. 液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的STM图象.图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见. 5.配合扫描隧道谱(STS)可以得到有关表面电子结构的信息,例如表面不同层次的态密度.表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等. 6.利用STM针尖,可实现对原子和分子的移动和操纵,这为纳米科技的全面发展奠定了基础. 1990年,IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果,他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成 IBM 三个英文字母. 二.隧道电流 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.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(如图1)这个现象称为隧道效应. 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:: 由式(1)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,很难观察到粒子隧穿势垒的现象. 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Φ有关: 式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数 Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数,A为常数,在真空条件下约等于1.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. 二.扫描隧道显微镜的工作原理 由式(2)可知,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. 扫描隧道显微镜主要有两种工作模式:恒电流模式和恒高度模式.a) 恒电流模式:如图(a)所示, x-y方向进行扫描,在z方向加上电子反馈系统,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;