1、扫描隧道显微镜,郭莉1515073023,1,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,2,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation modes STM Examples Manipulation of individual atoms,概况,1、STM的产生背景, 自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微 镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如 透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离
2、子显微镜(FIM) 等。但任何一种技术在应用中都会存在一定的局限性。 1981年，IBM(国际商业机器)公司苏黎世实验室的葛宾尼(Gerd Binnig) 博士和海罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界 第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)。 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。,葛宾尼(Gerd Binning),海罗雷尔(Heinrich Rohrer),3,2、STM出现的意义,概况, 目前具有原子分辨率的科学仪器主要有三种：透射电子显微镜(TEM)， 场
3、离子显微镜(FIM)和STM。 TEM研究的是物体的体性质；FIM只能研究可制备程极细针尖的固体 样品表面原子，因此可研究的样品种类有限。 STM利用电子在针尖和样品间的隧道效应产生的隧道电流，达到了原 子分辨率。 STM的出现使人类第一次能够在实空间实时地观 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理、化学性质。如，1983年G. Binning等人首次给出了Si(111)7x7重构表面的实空间原子像。 STM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 义和广阔的前景，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。,4, 具有原子级高分辨率，分辨率横向
4、0.1nm、纵向0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可观察单个原子层的局部表面结构。,概况,3、STM的优点,Atomic Resolution on Pt(100),5, 具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可观察单个原子层的局部表面结构。 可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中， 其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤。,概况,3、STM的优点,UHV,6,Air, 具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象
5、。 可观察单个原子层的局部表面结构。 可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中， 其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤。 通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操 纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。,概况,3、STM的优点,7, 在大气里，样品表面易存在物理吸附和化学吸附，STM很难得到稳定 的真实的样品表面结构图像，只能对包括高定向热解石墨(HOPG)等少 数几种样品成原子像。 在STM的恒流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不 能够准确探测，与此相关的分辨率较差。 STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性。 宾尼等人
6、1986年研制作成功的原子力显微镜(Atomic Force Microscope， AFM)弥补了STM这方面的不足。后来又陆续发展了一系列的扫描探针 显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)，如磁力显微镜(MFM)、静 电力显微镜(EFM)、扫描热显微镜、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等。,8,概况,4、STM本身存在着的局限性,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,10,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation mode
7、s STM Examples Manipulation of individual atoms,STM的基本原理,10,STM的基本原理,对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度U0时，它不 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 过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。,1、隧穿效应 (Tunneling Effect) STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应。 STM中最重要的概念隧穿电流(Tunneling current)可通过一维模型简单说明。,11,STM的基本原理,
8、1、隧穿效应 (Tunneling Effect) STM的工作原理是基于量子力学的隧穿效应。 STM中最重要的概念隧穿电流(Tunneling current)可通过一维模型简单说明。,由式中可见，透射系数T与势垒宽度L、能量差（U0-E）有着很敏感 的依赖关系，随着L的增加，T将指数衰减。,根据量子力学的波动理论，电子穿过势垒的透射系数,0,12,U 2,T 16E(U0 E) exp(2kL),15,STM的基本原理,2、隧穿电流 (Tunneling Current) STM是将原子线度的极细探针和样品的表 面作为两个电极，当样品与针尖的距离非 常接近时(通常小于1 nm)，在外加电场
9、的 作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒 流向另一电极，形成隧穿电流，其大小为：,式中，V是针尖和样品之间的偏置电压， z为样品与针尖的距离， 是平均功函数。 由前式可知，隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关 系，当距离减小 0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。 因此，根据隧穿电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变 化的信息。,STM的基本原理,2、隧穿电流 (Tunneling Current) 在一维模型中，隧穿电流j是偏压V、样品表面电子局域态密度、样品逸 出功和针尖与样品间距z的函数。当针尖-样品间偏压一定时，针尖-样品 间距、样品逸出功和样品表面电子局域态
10、密度任一发生变化时，隧穿电 流都会发生变化。 因此，STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构的综合效应的结果。 另外，在STM成像过程中，针尖起到了重要作用。STM图像原子分辨率 的解释必须考虑针尖的电子态以及针尖-样品间的相互作用。,14,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,15,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation modes STM Examples Manipulation of individual atoms,STM的仪器构造,STM
11、 Instrumentation,16,23,STM的仪器构造,STM Instrumentation,STM由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电 子学控制系统和包括A/D 多 功能卡的计算机组成。,Tip Scanner Sample positioner Vibration isolation Control electronics Pre-amplifier Feedback Scan control Computer and software,超高真空变温STM装置,STM的仪器构造,STM主要包括两部分： 机械部分：STM针尖、压电扫描器、振动 隔离器、粗调定位器 控制
12、系统：STM电路、计算机接口、显示 设备、控制软件,对于超高真空STM还包括真空系统、样品传送设备和变温系统,24,STM的仪器构造,STM工作过程 在STM操作中，样品在扫描 的时固定不动，针尖由特制 针尖架装在单管扫描器上并 随之运动，扫描器X，Y，Z 三个方向的扫描范围可达15 m 15 m 15 m。 压电扫描器装在三维压电惯 性步进器上，遥控惯性步进 器实现针尖粗调移动，整个 过程由CCD相机和显示器监 控， X，Y，Z三个方向的 移动范围可达10 mm 10 mm 10 mm。 振动隔离通过悬挂弹簧和涡,流阻尼器实现。,25,样品台 (Sample Stage),STM的仪器构造,
13、通过铜线与样品 台相连，利用热 传导降低样品温 度,20,STM的仪器构造,21,电子学控制系统 STM要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样 品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流 模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系 统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有 这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,40,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation modes STM Examp
14、les Manipulation of individual atoms,STM的工作模式,STM Operation Modes 恒高模式是在扫描过程中切断反馈 回路保持针尖的高度不变，记录隧 道电流的大小值。 针尖的 x-y 方向仍起着扫描的作用， 而 z 方向则保持绝对高度不变，由 于针尖与样品表面的相对高度会随 时发生变化，因而隧道电流的大小 也会随之明显变化，通过记录扫描 过程中隧道电流的变化亦可得到表 面态密度的分布。 特点是：扫描速度快，能减小噪音 和热漂移的影响，但样品表面的其 幅度应小于1nm。,23,STM的工作模式,STM Operation Modes 恒流模式是通过反
15、馈回路在偏压不 变的情况下保持隧道电流恒定，记 录z向压电扫描器的伸缩情况，得到 一个等电流面。 利用压电陶瓷控制针尖在样品表面 x-y 方向扫描，而z 方向的反馈回路 控制隧道电流的恒定，当样品表面 凸起时，针尖就会向后退，以保持 隧道电流的值不变，这样探针在垂 直于样品方向上高低的变化就反映 出了样品表面的起伏。,现代的STM一般不再严格区分恒流模式和恒高模式，而是通过 调节反馈增益的大小来改变STM针尖的纵向运动的灵敏度，以 取得满意的STM图像。,24,STM的工作模式,25,STM的工作模式,26,影响仪器分辨率和图像质量的因素主要有以下几点： 对针尖的要求：具有高的弯曲共振频率 、
16、针尖的尖端 很尖(最好尖端只有一个原子)、针尖的化学纯度高； 压电陶瓷的精度要足够高； 减震系统的减震效果要好，可采用各种减震系统的综 合使用； 电子学控制系统的采集和反馈速度和质量； 样品的导电性对图像也有一定的影响。 各种参数的选择要合适。,STM的实验步骤,27, 准备针尖和样品 手动逼近样品和针尖，使之距离约为1mm；切忌使针尖与样品发 生相撞； 设置参数：隧道电流；针尖偏压；软件控制马达，使针尖自动逼 近进入隧道区； 根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700900nm，石 墨一般取515nm)； 根据不同的模式设置不同的扫描速度(恒流模式一般要较慢扫描， 恒高模式可较快扫描
17、)，然后开始扫描。 得到扫描图像后，可进行一定的图像处理。 实验结束后，一定要先使用软件控制马达自动退达1000步以上。 关闭系统,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,28,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation modes STM Examples Manipulation of individual atoms,STM的应用,29, 金属、半导体表面的原子重构结构 在超高真空中沉积样品到基底表面，可以研究样品在基底 的成核、生长以及可控的样品表面
18、吸附过程。 在不同温度下实现对样品表面成像，研究样品表面原子结 构和电子结构变化过程，可获得样品原子在表面的迁徙和 表面重构形成的动力学过程。 通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面 的原子操纵或纳米加工构造所需要的结构。,STM的应用,金膜表面的原子团簇图像扫描 STM图像反映的是表面局域态密度的形貌，这些形貌 正好反映了表面势垒的形状，表面势垒的形状与表面 原子位置密切相关。因此，STM图像直接反映了金属 表面的几何结构。由于颗粒比较大，所以避免采用恒 高模式，而用恒流模式进行扫描。,30,STM的应用,金膜表面局域原子结构像扫描 在STM研究的初期，很难观察到原子分辨率的金属
19、表面。随着理论和实验的进 展，大量金属清洁表面都得到了原子分辨的STM像，包括Au(111)、Ag(111)、 Cu(111)、Pt(100)、Pt(111)等。理论上，考虑针尖电子态和针尖-样品间的相互作 用，基本上解释清楚了原子分辨的金属表面STM像。,31,STM的应用,高序石墨原子(HOPG)图像的扫描 扫描隧道显微镜扫描原子图像时，通常选用石墨作为 标准样品。石墨中的原子排列成层状，而每一层的原 子则呈六边形周期排列，由于石墨表面比较平整，而 且原子高度一般不超过1nm，为了更高速度和更高质 量的扫描，建议使用恒高扫描模式。,32,STM的应用,33,58,STM的应用,Si(111
20、) surface单晶硅为金刚石结构，(111) 面是硅的自然解离面。解离 后，(111)面的每个Si原子具 有一个sp3悬挂键，即垂直表 面的sp3杂化轨道上只有一个 电子。,因此，Si(111)1x1表面具有金 属电子结构特性，但很不稳 定。Sp3悬挂键再次杂化导致 Si(111)面发生重构，在不同 温度下表现出不同的重构表 面。 Schematic diagram of unconstructed Si(111) surface,STM的应用,59,STM的应用, STM探测的是电子态，因此STM形貌像的解释取决于所建立的结构模型。 在Si(111)7x7重构表面的模型中，Takayan
21、ag等人提出的二聚体-顶戴原子- 层错模型(dimmer-adatom-stacking fault, DAS)比较合理。Si(111) surface,69,STM的应用,Si(111) surface,37,扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscopy,38,Introduction Quantum tunneling in STM STM Instrumentation STM Operation modes STM Examples Manipulation of individual atoms,80,STM的原子操纵, STM不仅能在原子尺度上观察样
22、品表面结构，而且可通过针尖-样品间强 的相互作用，可以对样品表面的原子-分子或吸附的原子、分子进行操作。 原子操纵就是在原子结构的本底上，对单个原子或分子进行移动、取出或 植入操纵，并形成规则结构，其尺度在几埃到几十埃范围内。 原子操纵的实现对于研究微观、介观物理、化学意义重大，而且在人造分 子和纳米器件的研究中具有诱人的应用前景。 原子操纵可分两种情况，即平行移动式和垂直起落式。 平行移动式：在原子操纵过程中，吸附在固体表面的原子或分子沿表面移 动，此时吸附原子和表面间的键并未被打断，即始终在吸附势阱中。 垂直起落式：吸附原子、分子或固体表面的原子、分子从表面转移到针尖 上，或针尖表面的原子
23、、分子转移到固体表面上。主要实验方法有：接触 或近接触转移、电压脉冲法、低偏压大隧道电流法等。主要理论模型有： 场蒸发模型、化学键模型、隧道电子的非弹性散射形成的电子态激发或振 动激发模型等。 理论表明，在针尖影响下，吸附原子在针尖下取势能极小值，移动针尖相,当于加一个随时间变化的外加势场，吸附原子在它的影响下运动。,STM的原子操纵,40,STM的原子操纵,41,STM的原子操纵,世界首例STM原子操纵,42,STM的原子操纵,43,STM的原子操纵,44,STM的原子操纵,Iron atoms on the surface of Cu(111),45, 原子力显微镜(AFM) 磁力显微镜(MFM) 摩擦力显微镜（LFM） 静电力显微镜(EFM) 弹道电子发射显微术（BEEM） 扫描离子电导显微镜（SICM） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTM） 扫描近场光学显微镜（SNOM)在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微镜扩展了微 观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展提供了很 好的技术支持。,STM基础上发展起的SPM,46,
