扫描遂道显微镜(STM)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,扫描遂道显微镜（,STM）,表面分析仪：,1982,年第一台,国际商业机器公司苏黎世实验室,(,Gerd,Bining,Heinrich Rohrer),STM,扫描隧道显微镜,功能：,1,。主要功能：提供具有原子级分辩率的表面形貌。,2,。另一种应用：可以作为谱学研究的工具。,表面结构分析现代仪器历史,1933,年第一台电子显微镜：,透射电子显微镜（,TEM）,扫描电子显微镜（,SEM）,场电子显微镜（,FEM）,场离子显微镜（,FIM）,扫描隧道显微镜（,STM）,原子力显微镜（,AFM）,人眼晴,分辩率,：0.1,mm,以上。,光学显微镜极限分辩本领是光波的半波长,：,可见光最短,0.4,um(,半波长：,0.2,um）,透射电镜,原理：光线在介质中运动与电子在磁场中运动相似性质。光波长,-,电子波长。光学透镜,-,磁透镜。,透射电镜（,TEM）,电子波长：,加速电压：,50-100,KV。,电子波长：,0.005360.00370,nm,磁透镜,透射电镜的条件与特征,1.,电子运动的轨迹满足旁轴条件。,2.,电子运动的速度是完全相同的。,3.,形成透镜的电磁场具有理想的轴对称性,4.,电镜的镜筒内部处于高真空。,5.,样品尺寸小，并对电子束是透明的。,6.,样品制备技术与图像解释方法发展。,扫描电镜（,SEM）,1.,成像原理与与透射电镜完全不同。,2.,高能电子轰击样品表面。激发各种信息。,3.,二次电子、透射电子、俄歇电子、,X,射线等。,4.,不同的信息检测器。,5.,高真空状态。,6.,分辩率逊色于透射电镜数十倍。,扫描隧道显微镜基本原理,量子理论中的隧道效应。,极细探针与研究物质作为两个探极。,隧道电流：,扫描隧道显微镜的原理结构,极细探针与研究物质作为两个探极。,扫描模式,恒,电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。,恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于,1,nm,的样品。,隧道谱,实验方式：四种操作方法采集隧道谱数据。,1,。电流,电压隧道谱。,2,。电流,间隙特性。,3,。恒电流形貌图（,CCT）。,4。,电流成像隧道谱（,CITS）,振动隔绝系统,工作针尖与样品间距小于,1,nm.,隧道电流与间距成指数关系。,恒流模式中，表面起伏通常为,0.01,nm,振动引起小于,0.001,nm.,STM,减震系统设计主要考虑低频：,1-100,HZ,防振：,1.,提高仪器的固有振动频率,.,2.,使用振动阻尼系统。,减震系统：,减震考虑：,1-100,HZ,之间的振动。,提高系统固有振动频率。,橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻尼。,压电陶瓷步进马达扫描控制器：,压电现象：某种晶体机械力,形变,电场,x,y,z,扫描控制器件。,压电陶瓷材料：极化处理,实验操作与进行：,一.,针尖的制作：,二,.,针尖的安装：,三,.,实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。,四,.,逼近隧道区（隧道电流）,五,.,扫描：观察图象、调整电流、偏压等。,STM,应用：,金属和半导体表面的,STM,研究：,研究表面上发生的物理与化学过程。,物理例如：晶体生长过程、表面物质沉积过程。,表面化学反应。,STM,在生命科学研究中的应用：,1.,基底的选择：高定向石墨（,HOPG）,2.,样品的导电性：早期在生物样品表面蒸镀上一层导电膜。,3.,吸附在导电基底上的生物样品足够薄。,扫描遂道显微镜（,STM）,独特优点：,1.,具有原子高分辩率。,2.,可实时得到在实空间中表面的三维图象；,3.,可以观察单个原子层的局部表面结构。,4.,可在真空、大气、常温等不同环境下工作；甚至水中。对样品无损。,5.,可得到表面电子结构的信息。（配合扫描隧道谱）。,STM,的,局限性与发展,1.,在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。,2.,样品必须具有一定程度的导电性。,AFM,国内教学仪器两种类型：,上海纳星公司（上海交大）：,测试范围大，软件适合教学应用，界面漂亮。,北京大学：测试,nm,数量级。隔振系统好；真空工作状态。能反映科研工作状况。软件不适应教学。界面差。,STM,扫描隧道显微镜的工作原理,:,Z,轴加,(减),偏压使针尖逼近与退离,.,三维压电陶瓷进行扫描工作,.,恒流模式工作时,:,样品形貌变化信号只控制,Z,轴方向压电陶瓷电压,.,针尖对样品扫描控制,X、Y,方向压电陶瓷（粗调与有序控制）,北大扫描隧道显微镜结构形式,隧道针尖,STM,技术中的主要问题。,钨针尖的制备：电化学腐蚀方法：,NaOH,铂铱合金针尖的制备：,机械成形法：剪切法,针尖的保存。,铂铱,合金针尖的制备：,两步电化学腐蚀方法；,机械成形法；,剪切法,软件,1.,各项参数的设置。,2.,STM,控制、数据采集和实时显示。,3.,文件的管理。,4.,数据分析和图像处理。,在,STM,基础上发展起来的各种新型显微镜,原子力显微镜,激光显微镜,场,离子显微镜（,FIM）,利用成像气体原子在带正高压的针尖样品的附近被场离子化。荧光屏上显示。,