扫描探针显微镜(1).ppt

第四章???????? 扫描探针显微镜 引言 所谓扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscopy SPM）是用一尖锐的传感器探针在样品表面上方扫描，通过“感触”来检测样品表面性质，并不用物镜来成像，这是与其他显微镜最主要的区别。 扫描探针显微镜是一个显微镜的大家族，其中第一个成员是扫描隧道显微镜 它是IBM的G. Binning和H. Rohrer博士及其同事于1982年发明的，1986年获诺贝尔物理学奖 受扫描隧道显微镜工作原理的启发，人们又研制出一系列工作原理相类似的显微镜， 例如： （1）原子力显微镜（AFM） （2）磁力显微镜（MFM） （3）摩擦力显微镜（LFM） （4）化学力显微镜（CFM） （5）静电力显微镜（EFM） 我们主要介绍扫描隧道显微镜与原子力显微镜 1.??扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜STM（Scanning Tunnelling Microscopy ）是IBM苏黎世实验室的G. Binning和H.Rohrer博士及其同事发明的。 STM的研制工作始于1978年 1986年 G. Binning 和 H. Rohrer与发明电子显微镜的 E. Ruska一道获得诺贝尔物理学奖。 STM实验可以在大气、真空、溶液、惰性气体甚至反应性气体等各种环境中进行，工作温度可以从绝对零度到摄氏几百度。 用途广泛： （1）可用于原子级空间分辨率的表面结构观测，用于研究各种表面化学过程和生物体系 （2）是纳米结构加工的有力工具，可用于制备纳米尺度的超微结构，还可用于操纵原子和分子等 1.1 扫描隧道显微镜的工作原理及工作模式 工作原理：当探针与样品表面间距小到纳米量级﹙﹤1nm﹚时，经典力学认为，由于中间的空气将探针与样品表面隔开，探针与样品表面是不导电的；但从量子力学的观点来看，探针尖端的原子与样品表面的原子具有波动性，两者的波函数会发生重叠， 隧道电流的强度与针尖和样品间距S成指数关系，对间距S的变化非常敏感，STM就是利用这一原理来工作的。 它的工作模式有两种： 恒高模式 恒流模式 ① 恒流模式： 探针在样品表面扫描时，通过反馈回路控制隧道电流恒定不变，即探针与样品表面相对距离保持恒定，这时探针沿xy平面内扫描时在z轴方向的运动就反映了样品表面的高低起伏，这种扫描模式叫恒流模式。 见图2.2（a） ② 恒高模式： 探针在样品表面扫描时，使探针的绝对高度不变，这时探针与样品表面的相对距离就会改变，即隧道电流会改变，通过测量电流的变化来反映样品表面的高低起伏。这种扫描模式叫恒高模式。 （见图2.2（b） 恒电流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。 当样品表面起伏较大时，由于针尖离表面非常近，采用恒高模式扫描可能造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面破坏。 1.2 扫描隧道显微镜的装置 STM是一种近场成像仪器,针尖与样品之间的距离S通常小于1nm. 自从首次STM诞生以来,目前商品化的STM已采用了各种先进技术和多项改进系统.已成为一种先进的形貌观测仪器被广泛应用.但基本组成没有变化. STM由下列几部分组成: ① 振动隔绝系统 ② 机械传感系统 ③ 电子控制系统 ④ 探头(隧道针尖) ⑤ 计算机控制系统 STM的基本结构如图所示. 核心部件: 探头,安装于STM主体箱内 电子控制系统: 用于产生隧道电流并维 持其恒定, 控制针尖扫描. 计算机系统:控制各个系统运动、收集、存 贮、处理获得信息和图像。 振动隔绝系统：保证系统工作不受外界振 动等干扰。 （1 ）振动隔离系统 由于STM工作时针尖与样品距离小于1nm,任何振动包括声波振动都会影响仪器稳定性, 因此由振动引起的隧道间距变化必须小于0.001 nm。 STM常用的振动隔离方法有三种： ① 悬挂弹簧 ② 平板-弹性体堆垛系统 ③ 冲气平台 悬挂弹簧：具有涡流阻尼的悬挂弹簧系统﹝见图2.5﹙a﹚﹞ 悬挂弹簧是最为有效的振动隔离系统。如果STM单元有足够的刚性单级悬簧即可。 如果STM单元的刚性不够，或者在超高真空和低温环境下工作，则可采用二级悬簧并有涡流阻尼的振动隔离系统。 悬簧系统的缺点是尺寸大。 （2) 平板-弹性体堆垛系统：由橡胶块分割的多块