扫描隧道显微镜(CSTM).ppt

扫描隧道显微镜(CSTM) 1.概述 1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和Heinrich Rohrer博士及其同事们，共同研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope，以下简称STM ) 。它的出现，使人类第一次能够原地观察物质表面单个原子的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公 认为是80年代世界十大科技成就之一。 与其他表面分析技术相比，STM具有的独特优点可归纳如下: (1)具有原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0. lnm和0. 01nm，即可以分辨出单个原子。比较了STM与其他显微镜的分辨率。 （2）可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。这种可实时观测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，而不是整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。 (4)可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程中样品无损伤。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、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 (5)配合扫描隧道谱STS (Scanning Tun-neling Spectroscopy)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）能真实地反映材料表面的三维图像。因此，可在微米度域至纳米度域测量材料断裂表面的粗糙度、晶粒大小、表面面积和分形维数以及研究相变、材料断裂的原过程等。 (7)可用STM针尖对单个原子和分子进行操纵，以及对表面进行纳米级微加工。 2、 STM原理及基本理论 2. 1 两个基本概念 1. 隧道效应 金属体内存在大量“自由”电子，从经典物理学来说，这些“自由”电子在金属体内能量分布。在绝对零度时，所有自由电子的能量都小于费米能级EF，随着温度的升高，一部分电子的能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的数量随着温度的升高而增加。另一方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一个能量比费米能级Ef;高的位垒Φ，在金属内的“自由”电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能从金属内部逸出到外部。但量子力学则认为金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波Φ1向金属边界传播，在遇到表面位垒时，部分反射为ΦR，部分透过为ΦT。这样，即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种效应称为隧道效应。 1. 2隧道电流 两种金属(即电极)靠得很近(通常小于lnm)时，两种金属的电子云将互相渗透，当加上适当的电位时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流就称为隧道电流。 2. 2 STM工作原理 2. 3扫描隧道谱(STS )工作原理 STS有以下几种工作模式: (1)恒定电流模式:最简单的得到谱信息的方式便是比较在不同偏压下得到的恒定电流的形貌像。为了准确定位，两幅图像的数据应该同时采集。如果要得到更多的信息，则可以在保持电流恒定的条件下测量电导dl /dV，作为偏压的函数。这种模式强调的是电子态的空间分布。 (2)恒定阻抗模式:在改变偏压的同时保持隧道阻抗的恒定，利用锁相放大器测量电导。由于恒定隧道阻抗意味着针尖和样品间距儿乎是恒定的(除了零偏压处)，这种模式在金属表面上能得到很好的结果，但在半导体表面由于禁带的存在而不适用。 (3)恒定间距模式:由于谱是在恒定电流模式下测量的，偏压经过零点或禁带将引起针尖和样品的接触，因此只能在正或负的偏压下工作。而恒定间距模式克服了这个缺点，采用保持回路使针尖暂时停在样品表面的恒定位置上，然后改变偏压测量电流，最后反馈回路再调整针尖位置。把得到的I (V)用数值法求出(dl/dV) (I/V)便获得谱的空间分布。 也可以在表面的每个点测量多个偏压的电流，然后画出不同偏压下的电流图像，即CITS (Current Imaging Tunneling Spectroscopy)，CITS着重强调在所选择的某些特殊偏压处态的贡献。 (4)可变间距模式:恒定间距模式下工作，当偏压较大时，电流可能会变得很大，以致于超出模数转换器(A/D)或电流放大器的范围。可变间距模式通过以下两条途径解决了这个问题:一是在不同的距离测量I (V)，然