显微镜成像方法与技术.ppt

一、扫描隧道显微镜 不用任何电子光学系统，仅用一个微小的针尖在离样品10?的地方进行扫描，测定其隧道电流就可得到显微图像，这种在结构上比电镜筒简单得多但得到很高的放大率而且没有像差的设备，就叫做扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）。 　 STM作为一种扫描探针显微术工具，可以观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K，开氏度 = 摄氏度 + 273.15 ）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 　 STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。 第三十页，共五十二页，2022年，8月28日 STM成像原理 隧道贯穿：经典物理学认为样品表面是分明的，发生在表面的反射会限囿住电子，因此不存在电子云。量子力学认为，电子的行为就像是波，其位置是“弥散”的，物质表面之外也有电子存在。在物质表面之外的空间里发现电子的几率，随着与表面距离的增大而呈指数式的衰减。电子就像是在表面边界上穿挖隧道而出。这一效应叫做隧道贯穿。 Z<1nm IT ∝V·e-k0Z Z：间距V：偏压 用一针尖只有原子线度的极细探针贴着样品的表面轮廓进行扫描，由于电子云的密度随距离指数式的发生变化，故隧道电流对探针尖端和样品表面的距离极其敏感，距离即使改变一个原子的直径大小，隧道电流会变化一千倍。 第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日 STM工作原理 利用隧道电流的这种灵敏性，可对样品表面上的一个个原子在竖直方向上的位置进行极为精确的测量。探针在表面上方扫动时，利用压电陶瓷材料随加入电压不同可伸缩的压电效应来控制针尖距离从而对样品进行连续平行线方式的扫描，并用电子反馈线路控制隧道电流恒定记录高度的变化，或以高度恒定的方式记录隧道电流的变化，经计算机处理后，在荧光屏上或绘图机上显示出来，便可得到样品表面原子级分辨的三维图像。 第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日 工作模式 恒电流模式 利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域距离也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛 。 STM恒电流工作方式观测超细金属微粒 恒电流工作模式示意图 第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日 恒高度模式 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 恒高度工作模式示意图 第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日 STM基本结构　 隧道针尖 三维扫描控制器 减震系统 电子学控制系统 在线扫描控制系统 离线数据分析软件 第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日 隧道针尖　 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着STM图像的分辨率和图像的形状，而且也影响着测定的电子态。针尖要求只有一个稳定的原子，针尖的化学纯度要高。 　 针尖表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和STM图像的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。 第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日 三维扫描控制器　 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。 　 压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换