扫描隧道显微镜(
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扫描隧道显微镜( STM ). 微观世界的探索. 社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说吧,发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入,从微米级,亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。. 第一代为光学显微镜. 1830 年代后期为 M.Schleide 和 T.Schmann 所发明;它使人类 “ 看 ” 到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体,对社会的发展起了巨大的促进作用,至今仍是主要的显微工具. 第二代为电子显微镜.

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扫描隧道显微镜( STM )

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Presentation Transcript


Stm

扫描隧道显微镜(STM)


Stm

微观世界的探索

社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说吧,发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入,从微米级,亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。


Stm

第一代为光学显微镜

1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明;它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体,对社会的发展起了巨大的促进作用,至今仍是主要的显微工具.


Stm

第二代为电子显微镜

20世纪三十年代早期卢斯卡(E.Ruska)发明了电子显微镜,使人类能”看”到病毒等亚微米的物体,它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。


Stm

第三代为扫描探针显微镜

也可简称为纳米显微镜。1981年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜(STM),使人类实现了观察单个原子的原望;1985年比尼格应奎特(C.F.Quate)发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜(AFM),也具有原子分辨率,与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜(SPM)系列。


Stm

TEM

X—衍射

STM/AFM

空间分辨率

1--10Ǻ

1 Ǻ

1 Ǻ(Z:0.1 Ǻ)

样品制备测量条件

超薄切片真空

结晶样品mg级量

近自然、液体μg--ng

结构信息

2维

平均结构参数,三维内部结构

单个分子结构、局域结构、表面三维结构

图像

直观

拟合、重构

真实、直观

三种观察原子的方法比较


Stm

三代显微镜的观察范围及典型物体


Stm

用扫描隧道显微镜进行光栅观察

实验目的

1)了解扫描隧道显微镜的结构和原理

2)观察量子力学中的隧道效应

3)掌握隧道扫描显微镜的基本操作和调试过程, 观测到清晰的一维光栅图象

4)学习使用计算机软件处理原始数据图像


Stm

扫描隧道显微镜(STM)是如何工作的?

工作原理——量子力学的隧道效应

两个平板导体间的隧道效应实验装置稍加改变即成为STM的雏形

Z<1nm IT ∝V·e-K0Z

Z:间隔距离V:偏压


Stm

STM的工作原理是电子的隧道贯穿,电子云占据在样品和探针尖之间(图1)电子云是电子位置具有不确定性的结果,这是其波动性质决定的。导体的电子是”弥散”的,故有一定的几率位于表面边界之外,电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。这样,被通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。探针在表面上扫描时,有一套反馈装置去感受到这一电子流(叫做隧穿电流),并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上(图2)。探针尖即以这种方式描过表面的轮廓。读出的针尖运动情况经计算机处理后,或在银幕上显示出来,或由绘图机表示出来。使针尖以一系列平行线段的方式扫描,使可获得高分辨率的三维表面图像。


Stm

(图1)STM 结构及原理(电子云概念)


Stm

(图2)隧道电流的变化曲线

Ro与样品表面相关的参数;

∆Z有0.1nm的变化;

∆ IT即有数量级的变化

隧道电流的变化曲线


Stm

实验仪器及用品:

AJ-Ⅰ型STM,刃口刚性较好好的剪刀,铂铱合金丝,镊子,丙酮,量杯,脱脂棉,光栅样品

实验步骤:

1)光栅样品准备,STM针尖制备,安装针尖和样品;

2)逼近针尖到样品表面、调节针尖和扫描管至最佳工作状态

3)观察量子力学中的隧道电流效应和特性

4)扫描光栅样品并对扫描图像进行处理


Stm

针尖逼近到样品表面

第一步:粗调螺旋头调节

第二步:微型马达调节


Stm

观察量子力学中的隧道电流效应和特性


Stm

STM扫描图像处理

光栅三维图像


Stm

实验结果和讨论

应能清晰地得到光栅图象。请根据实验结果仔细分析:实验过程中存在那些不足之处?如何改进?有何建议和启发。

思考题:

1) STM 是如何测得样品的表形貌?

2)如何用STM测出光栅的周期结构?


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