扫描隧道显微镜
物理与电子科学学院 仲明礼
一、引言
• 一、显微镜的发展史 • 人的眼睛不能直接观察到比0.1mm更小的物 体或物质的结构细节。人要想看得到更小 的物质结构，就必须利用工具，这种工具 就是显微镜。 • 第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率 是200纳米。由于光的衍射效应，分辨率受 制于半波长，可见光的最短波长为0.4微 米。
3.2 恒流模式的电子实现
头部系统 电子学控制机箱 计算机 压电陶瓷 扫描管 XY 控制
前置放大器
自动 控制
Z
AD/DA 多功能 卡
并 行 口
步进马达
针尖偏
TTL
马达驱动
3.3 恒流模式的三个重要参数：扫描速度、反馈速度、 • • • • 设定点 3.3.1 反馈的提出和应用 由于运用了反馈技术，使得针尖能够良好地跟 踪样品表面，突破了恒高模式的局限。 3.3.2 扫描速度、反馈速度、设定点三者之间的关 系 扫描速度：在可以接受的速度下，尽可能让扫描 速度慢一些（值越大速度越慢）。 在可以接受的 图像质量下，尽可能让扫描速度快一些。 扫描速度过快，来不及反馈，就有可能出现撞针 现象；扫描速度过慢，一方面等的时间太长难以 承受，另一方面由于漂移现象的存在使针尖漂离 开工作区，从而得不到样品表面图像。
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STM中针尖对样品 作两维扫描
STM中针尖对样品作两维扫描 距离呈负指数关系
隧道电流与针尖样品表面距离
2、STM恒高模式的产生和局限性
• 2.1 恒高模式
当针尖扫描样品表面时， 记录每点的隧道电流值， 针尖以一个恒定的高度 在样品表面快速地扫描， 检测的是隧道电流经过 处理后得到图像。
恒高模式的局限
4、 STM的优缺点
特点：高分辨率，能够获得表面三维图像，可工作 在大气、真空、溶液环境下，工作温度可以改变， 它的出现使人类第一次能够在三维实空间下观察 单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为 有关的物理及化学性质；STM不仅可以用来观察 原子分子，还可以在超高真空超低温环境下进行 原子操纵。 • 局限：首先，它不能工作在绝缘表面。其次，现 今对STM 的成像理论，尤其对分子的成像理论有 不同解释，因其图像反映的是原子或分子的电子 结构或者是电子云的密度，所以成像的结果，究 竟产生于原子或分子的何种电子轨道，以及分子 与基底间相互作用对成像的影响等，其细节尚有 待于进一步揭示。
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• 漂移产生原因：应力漂移和热漂移 • 漂移的时间效应：漂移始终存在，扫描时间长一些， 会逐渐趋于稳定 。 • 反馈速度：反馈速度过慢，反馈跟不上，使针尖不 能很好的跟踪样品表面形貌的变化。反馈速度过快， 针尖上下起伏太快容易引起震荡，从而使样品形貌 失真。 • 震荡产生的原因：由于反馈的滞后性而产生，只要 反馈存在就存在。 • 设定点： 设定点值过大，针尖距离样品非常近， 容易出现撞针事故设定点值过小，针尖距离样品太 远，针尖和样品之间的作用力非常小，针尖扫描时 隧道电流的变化非常微弱，样品表面的起伏信息很 难通过电流变化直接反馈出来。Leabharlann 第三代显微镜：扫描探针显微镜。
• 80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning （宾尼格）和H.Rohrer（罗勒）发明了扫描隧道 显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生， 使人类第一次在真实空间观测到了原子，并能够 在超高真空超低温的状态下操纵原子。因为这两 项重大的意义，这两位科学家荣获了1986年的诺 贝尔物理奖。 • 在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力 显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统 称扫描探针显微镜。 • 扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微 镜镜测试的是原子间相互作用力等等。
三、SPM基本结构
• 1、减振系统 • 是仪器有效得到原子图像的必要保证。有效 的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要 求的一个必要条件， STM原子图像的典型起 伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于 0.05埃。有两类振动是必须隔离的：振动和冲 击。振动一般是重复性和连续性的，而冲击则 是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主 要。通常采用悬吊来隔离振动。
如设定高度太高则分辨率不够，如太低碰到样品表 面较大的突起时容易撞针。
3、STM恒流模式的产生
3.1 恒流模式 针尖在样品表面扫描时，通过反馈 电压不断地调解扫描针尖在竖直方 向的位置以保证隧道电流恒定在某 一预先设定值，既隧道电流保持恒 定。对于电子性质均一的表面，电 流恒定实质上意味着恒定针尖和样 品的距离，因此通过记录针尖在表 面的X-Y方向扫描时的反馈电压可 以得到表面的高度轮廓，从而获得 样品表面形貌特征。经过计算机的 记录和自动计算处理，样品表面的 高度将被精确测定。
第二代显微镜：电子显微镜。
• 1924年，德布罗意提出了微观粒子具有波 粒二象性的假设，后来这种假设得到了实 验证实。 • 物理学家们利用电子在磁场中的运动与光 线在介质中的传播相似的性质，于1933年 发明了电子显微镜。TEM的点分辨率为 0.2~0.5nm，晶格分辨率为0.1~0.2nm，它 的工作环境都要求高真空，并且使用成本 很高，在一定程度上限制了电子显微镜的 发展。
二、扫描探针显微镜（STM）原理及设计思路
• 1、STM的产生 • STM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，当一个粒子的动能低于前 方势垒的高度时，他不可能越过 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， 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。
• 扫描隧道显微镜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。由于隧 道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针 尖 在同一高度扫描材料表面，表面那些 “凸凹不平”的原子所造成的电流变化， 通过计算机处理，便能在显示屏上看到材 料表面三维的原子结构图。STM具有空前 的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达 0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结 构图，从而把人们带到了纳观世界。