第26卷第3期 2007年3月实验室研究与探索RESE ARCH AND EXP LORATI ON I N LABORAT ORYV ol.26N o.3 M ar.2007 在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习向 东a, 王青玲b, 柳金凤a, 何开华a(中国地质大学a.数学与物理学院;b.地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074)摘 要:把新成果转化为物理实验,能源源不断地推出新的实验,而这些新的实验又能极大提高学生们对物理实验的兴趣。
本文介绍了在新开设的扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习的教学实践,介绍了5步教学方法的具体做法及取得的教学效果。
关键词:隧道电流;扫描隧道显微镜;5步教学法中图分类号:G 642.423文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2007)03-0089-04Teaching Practice for Developing Student ’s Re search Capability in STM ExperimentXIANG Dong a, WANG Qing 2ling b, LIU Jing 2feng a, HE Kai 2huaa(a.Dept.of Mathematics and Physics ;b.Inst.of G eophysics and G eomatics In formation ,China Univ.of G eosciences ,Wuhan 430074,China )Abstract :Translating new scientific research products into physics experiment can present a lot of new experiments for our students ,which can inspire students ’interesting to physics experiment.This paper introduced a teaching practice for developing students ’research capability in ST M experiment and a new teaching method —five 2step teaching method and its teaching effect.K ey w ords :tunnel current ;ST M ;five 2step teaching methodC LC number :G 642.423 Document code :A Article ID :1006-7167(2007)03-0089-04收稿日期:2006-03-16作者简介:向 东(1978-),男,湖南邵阳人,讲师,硕士,研究方向:光电器件及光电信号处理。
Email :xiangdongde @1 引 言自从1986年扫描隧道显微镜(ST M )的发明者Binnig 和R ohrer 荣获诺贝尔物理奖以来,ST M 这一新型表面分析技术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的工作者的关注和兴趣,其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。
扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应,由量子力学可知,当势垒高度大于粒子能量时,由于粒子的波动性,粒子仍有可能穿透势垒,出现在另一边。
如图1所示。
在扫描隧道显微镜中,将原子线度的金属探针头和待测的导电样品表面作为两个电极,当两个电极之间的距离小于1nm 时,在外加电场的作用下电子会穿透势垒流向另一极,形成显著的隧道电流I :I ∝V b exp (-A Φ12S )(1) 式中V b 是加在两极上的偏压,A 为常数,在真空条件下约等于1,Φ为两极的平均功函数,Ф=12(Φ1+Φ2),其中Φ1,Φ2分别为各个电极的功函数,S 为两极间的距离。
图1 量子力学中的隧道效应 由式(1)可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离非常敏感,如果距离S 减小0.1nm ,隧道电流I 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 2y 方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图。
图2为ST M 的实验装置,图3为在实验室里用ST M 观察到的光栅表面形貌。
在实验教学过程中,为了让学生不仅掌握此实验的关键技术,同时激发对物理实验的兴趣,培养和锻炼其创新能力,运用了理论→对比→设置疑问→实践、讨论→理论5步教学法。
图2 ST M 的实验装置图3 光栅表面形貌2 扫描隧道显微镜的特点在这个实验中,布置了将隧道效应与空气的高压击穿现象进行比较的题目,通过这个题目要求学生查阅资料,来进一步加深对量子力学中隧道效应概念的理解,更好地理解ST M 的工作原理。
学生在实验室利用高压击穿测试仪,测量得到一些简单的参数,与ST M 实验讲义中所给出的参数进行简单比较,能对势垒概念有更清晰的认识[1];对实验中隧道电流、偏置电压、隧道宽度等参数的数量级有比较感性的认识,从而在实验操作时更加认真仔细。
比较结果如表1所示。
在将照相机成像与ST M 成像进行比较后,学生们就会发现ST M 的显著优点:①分辨率极高,可以达到原子量级,因此可以深入到微观世界的观察;②能够得到观察对象的三维形貌图,而不是平面图形。
3 探索STM 实验系统的关键技术3.1 获得理想扫描图样关键技术测试过程中的防震系统和针尖的制备过程是两个至关重要的因素。
由(1)式I 2S 的指数关系可知,样品表面的起伏极为敏感地影响着隧道电流的大小。
扫描隧道显微镜的底座常常采用大理石和橡胶垫叠加的方式,其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响,其固有阻尼一般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。
此外,仪器中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式,以满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。
由ST M 的工作原理可知,扫描探针针尖所起的作表1 STM 中的隧道效应与空气的高压击穿现象的简单比较原理空气厚度两极电压影响因素电流性质隧道效应两极中间的绝缘体视为势垒,由于粒子的波动性,小于势垒能量的电子在外加电场的作用下穿透势垒几个nm 几百mV极间距离、两极电压、表面电子状态等隧道电流是两极电子波函数重叠的量度空气的高压击穿两极之间的绝缘气体内部带电质点获得能量,剧烈运动,发生碰撞电离,而导致电导增大,形成击穿0.1～1mm几千V极间距离、两极电压、电极形状等碰撞电离形成的导电粒子在电场作用下形成的电流用是很重要的,如果针尖突向样品表面的顶点只有一个稳定的原子,隧道电流就会很稳定,就能获得原子级分辨率的图像。
如果针尖不是单个顶点,而是两个或多个,特别是在恒流工作模式下每个突起部分对隧道电流都有相同的贡献,ST M 图像就会失真。
因此,针尖的制作是ST M 实验中关键的一步,要求学生利用实验室提供的条件,用电化学腐蚀法和机械成形法制作针尖,并用显微镜观察制作的结果。
学生根据实验室提供的溶液、直流电源等设备,自己查找资料制定实验方案,自己动手制作针尖。
3.2 反馈系统的具体实现该电子反馈系统最主要的是模拟反馈功能。
实验开始时,可以利用控制软件让马达带动针尖靠近样品表面,当检测到的反馈电流达到设定值时,便停止靠近。
针尖与样品之间的偏压由计算机数模转换通道给出,在扫描时通过X 、Y 、Z 偏压控制压电陶瓷3个方向的伸缩,进而控制针尖的扫描。
在恒流模式中,控制系统要根据反馈的电流适时动态调节针尖的高度,以达到恒定电流的目的。
电子学控制系统中的一些参数,如隧道电流、针尖偏压的设定值,反馈速度的快慢等,都随着不同样品而异,因而在实际测量过程中,这些参量是可以调节的。
一般在计算机软件中可以设置和调节这些数值,也可以直接通过电子学控制机箱上的旋钮进行调节。
参见图4。
9 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷 图4 控制系统原理图3.3 扫描方向及工作模式对图片质量的影响在ST M中曲率半径在原子线度的导电探针在压电陶瓷的驱动下,在样品表面做二维光栅式扫描,在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒,形成隧道电流。
根据针尖位置上下移动或隧道电流变化,可探测样品表面的电子态密度分布,由该分布反映出样品表面形貌。
对不少样品,发现探针扫描方向不同,图像会有差异,有时甚至很大。
这时可以引导学生从ST M的工作原理进行分析,然后用测试的结果去验证他们的理论分析。
ST M的工作方式有恒流和恒高两种模式,以恒流模式为例,此时针尖高度在反馈回路控制下上下移动维持隧道电流恒定。
因为针尖横向扫描速度是恒定的,而反馈控制过程是一个动态过程,要达到预先设置的隧道电流值需要一定的响应时间,所以如果样品表面电子态密度在各方向上的变化梯度不一致,当针尖扫过一个新的位置时,隧道电流有可能尚未达到预先设置值。
这样即使对于同一样品的同一区域进行扫描,当扫描方向分别从左向右或从右向左或自上而下或自下而上时,就造成ST M图像差异。
如果样品表面变化梯度很大,可以预期这种差异也将很大。
4 扩展STM应用范围,开展研究性学习在实验室里原来只有金膜、石墨及光栅3种样品。
其实ST M有着非常广泛的应用,每一种应用都可以作为一个课题进行深入研究,激发探索微观世界的兴趣。
4.1 碳纳米管的结构02级物理系的石宏新同学在查阅各种资料后,实现了用ST M对WS2纳米管样品的观察。
在学校纳米科技中心的帮助下,获得了WS2纳米管样品。
将粉末状的WS2纳米管样品溶于乙醇试剂中,使用超声混合以后,均匀涂于解理好的高定向热解石墨上,同时在石墨下方加热使乙醇迅速挥发,如此反复30遍左右,即可制成观察样品。
在大气环境,真空度为10-2Pa的数量级的条件下,实现了对WS2纳米管样品的观察。
在40.0nm×40.0nm观察范围内,偏压700mV,隧道电流0.7nA 的条件下,可以看见紧靠在一起的多根管状物(图5),或是单根的管状物(图6)[2]。
图5 ST M观察到的多根管状物图6 观察到的单根的管状物4.2 DNA分子双螺旋结构的STM观测2001年重庆大学数理学院蔡从中、王万录等,用自制的ST M经高序定向热解石墨(H OPG)对扫描组件进行定标后,采用展开法制样,在常温常压的自然条件下,对猪脾DNA分子进行了观测研究,得到了石墨表面清晰的原子分辩图像,以及猪脾DNA分子双螺旋结构的ST M形貌图。
他介绍了生物样品的制备方法,并对实验结果进行了分析和讨论。
扫描电子显微镜(SE M)的生物样品制样过程复杂,要经过清洗、脱水、镀膜等一系列处理。