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原子力显微镜的工作原理及应用在线视频

下一节:红外光谱概述与原理

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原子力显微镜的工作原理及应用课程教案、知识点、字幕

大家好

我是暨南大学的容建华老师

欢迎来到现代材料分析方法的课堂

我们今天学习扫描隧道显微镜STM

STM是扫描探针显微镜家族

发明最早的一种显微镜

人们通过它既可观察到原子

又可以直接搬动原子

是国际科学界公认的20世纪

80年代世界十大科技成就之一

下面我们先来了解STM的工作原理

首先介绍一下隧道效应

在经典力学中

我们认为当势垒的高度

比粒子的能量大时

粒子是无法越过势垒的

而在量子力学中

具有波动性的微观粒子

比如电子、质子和中子

穿过势垒的几率并不为零

也就是说

虽然这些粒子的能量低于势垒

但是由于其波动性

总有一部分粒子可以

穿过势垒到达势垒的另一侧

这种现象就是隧道效应

一般当势垒的宽度和微观粒子的

德布罗意波长尺寸相近时

就可以观测到明显的隧道效应

STM就是基于电子的隧穿效应

来探测样品表面的原子的

所谓电子隧道效应

就是当两个金属靠得很近

通常小于1nm的时候

两个金属表面的电子云将相互渗透

把两个金属分别作为电极

在两个电极间加上2mv~2v的偏压

就会在两个金属间形成电流

就是隧道电流

STM是将具有极细针尖的探针

和被探测样品作为两个电极

当样品与针尖的距离非常接近时

在外加电场的作用下

由于隧道效应

探针和样品表面之间产生隧道电流

两者之间有纳安级的电流通过

隧道电流I是电子波函数重叠的量度

与针尖和样品之间距离z

以及平均功函数Ø有关

这是表达式

其中Vb是指加在针尖

和样品之间的偏压

平均功函数Ø是针尖

和样品的功函数和的一半

A是常数

在真空条件下约为1

隧道电流强度对针尖

和样品之间的距离呈指数关系

所以

电流强度对探针和样品表面之间的

距离非常敏感

距离减小0.1 nm

隧道电流就增加一个数量级

如果探针在样品表面扫描

针尖和样品之间的间距

随着样品表面凹凸不平的形貌而变化

隧道电流也随之变化

因此

记录隧道电流就可以获得

有关样品表面形貌特征的信息

这就是STM的基本原理

当然

实际的STM的运行

会有几种不同的工作模式

下面我们来了解下STM的基本构造

它主要由探针

微位移扫描器

减震系统以及计算机处理系统组成

其中主要的部件是用

压电陶瓷做成的这个微位移扫描器

测样的时候

在扫描控制电压的作用下

扫描器驱动探针在导电样品表面

附近作x-y方向的扫描运动

同时

一台差动放大器

检测探针与样品间的隧道电流

由计算机系统记录

或者把它转换成电压

反馈到扫描器

引发探针在Z方向上的运动

以此来控制探针作扫描运动时

离样品表面的高度

在整个扫描过程中

每扫描一个点都会

得到这个点的xyz三维数据

组合起来就可以形成

样品表面的三维图像

在扫描隧道显微镜中

扫描探针的制备

是STM技术的关键问题之一

针尖的大小

形状和化学同一性不仅影响着

图像的分辨率和图像的形状

而且也影响着测定的电子态

探针的最尖端要求非常尖锐

通常只有一两个原子

并且要求针尖的化学纯度高

如果有氧化层

针尖的电阻可能会高于隧道间隙的阻值

从而导致针尖和样品发生碰撞

现在常用铂-铱合金作为隧道针尖材料

铂材料不易被氧化

但比较软

可以通过加入20%的铱形成铂铱合金

增强刚性

为了得到锐利的针尖

通常对铂铱合金采用机械剪切方法成型

也就是用剪刀斜剪而形成

由于STM工作时的针尖

与样品间距一般小于1 nm

并且隧道电流与针尖样品间距

呈指数关系

因此

任何微小的振动

例如声音振动和人的走动所引起的振动

都会对仪器的稳定性产生影响

这就要求STM仪器具有

良好的减震系统来避免振动的影响

另外

探测部分包括探针

及样品通常罩在金属罩内

对外界的电磁扰动

空气震动等干扰信号进行屏蔽

提高探测的准确性

下面我们再来看STM的工作模式

STM有四种工作模式

包括恒电流模式

恒高度模式

隧道电流谱模式

以及操纵模式

在恒电流模式中

利用压电陶瓷控制针尖

在样品表面x-y方向扫描

使用隧道电流作为反馈信号

控制探针在z方向上下移动

以保持隧道电流在扫描过程中恒定不变

也就是控制针尖

和样品之间的间距恒定不变

这样

在扫描过程中

当样品表面凸起时

反馈系统将控制针尖向上抬起

以此来保持间距和隧道电流的值不变

而当样品表面凹下时

针尖会向下运动

将针尖在样品表面

扫描时的运动轨迹记录并显示出来

就得到了样品表面 原子排列的图像

恒电流模式是STM

最常用的一种工作模式

在这种模式下

STM的针尖不会因为表面起伏

太大而碰撞到样品表面

所以恒电流模式适于

观察表面起伏比较大的样品

但恒电流模式中针尖需要上下移动

因此扫描速度相对较慢

使用时需要注意选择合适的

反馈回路的时间常数和扫描频率

在恒高度模式中

针尖的x-y方向仍起着扫描的作用

但不产生z方向的上下位移

探针始终保持在同一高度

由于样品表面的局部高度会发生变化

因此针尖与样品的间距会发生变化

隧道电流也随之变化

通过记录扫描过程中隧道电流的变化

就可以得到样品表面原子排列的图像了

由于没有z方向的上下运动

恒高度模式可以提供更高的扫描速率

这非常有利于观察样品表面的动态过程

但这种模式要求样品表面平整

起伏一般不大于1 nm

否则在扫描过程中会有

针尖撞击样品表面的危险

隧道电流谱模式

是将探针停止在样品上方的某一位置

保持样品和针尖的间距不变

改变针尖和样品之间的偏压V

记录隧道电流I

得到I-V谱图

或者

保持偏压不变

将探针在垂直方向上 上下移动

记录隧道电流I

得到I-Z谱图

金属

半导体和绝缘体的

I-V谱线都是不同的

通过谱线我们可以

区分出一个材料的性质

这种模式还可以用于研究材料表面的

化学结构和电子状态

比如研究金属的超导性

分子吸附性能等等

这张谱图是Au(111)单晶电极

在0.1M的硫酸溶液中的

隧道电流-偏压谱图

用于研究这一典型的电化学体系

界面处的吸附结构特征

STM的针尖不仅可以成像

还可以用于操纵

样品表面上的原子或分子

所以

最后一种工作模式

就是操纵模式

操纵模式包括垂直操作和横向操作

所谓垂直操作

就是在针尖与原子之间形成强键

针尖吸附原子

使其与表面分离

然后被针尖运输并重新沉积在表面

原子的附着和脱离都由电压脉冲控制

所谓横向操作

就是原子仍然吸附在样品表面

针尖与原子之间形成弱键

针尖沿操作线横向移动原子

科学家们运用操纵模式

示范了很多有趣的工作

比如

这幅图是用STM针尖

在金属镍 (110) 晶面上

搬动氙原子形成的“IBM”图案

这幅图

是IBM的科学家将C60分子

放置在Cu单晶表面

利用STM针尖让C60分子

沿着Cu表面原子晶格形成的

台阶做直线运动

构成了世界上最小的“分子算盘”

这幅图是中国科学家

在Si(111)7×7重构表面上

将硅原子搬离写出“100”的字样

以此纪念毛泽东诞辰100周年

但由于STM的扫描工作范围

一般比较小

所以操纵模式目前的应用有限

最后

我们来看看扫描隧道显微镜的

特点以及它的局限性

与其他表面分析技术相比

STM具有一些独特的优点

第一

具有原子级的高分辨率

STM在平行和垂直于样品表面方向的

分辨率分别可达到0.1 nm和0.01 nm

即可以分辨出单个原子

这两幅图是高序热解石墨表面

可以非常清晰地观察到碳原子的排列

第二个优点

可以在实空间中

得到样品表面的三维图像

可以实时观察研究扩散等动态过程

这个是在STM的恒高度模式下

观测到的由磷酸激酶加工化合物分子

获得的纳米纤维组装动态过程

第三个优点

可以观察单个原子层的局部表面结构

比如表面缺陷

表面重构

表面吸附体的形态和位置

以及由吸附体引起的表面重构等等

这几张图片分别是

清洁的Ni(110)表面和

有氧吸附的Ni(110)表面重构的STM像

以及他们的结构模型

第四个优点

STM可以在真空

大气

常温等各种环境下工作

甚至可以将样品浸在水和其他溶液中

工作温度可以在0K到1100K很宽的范围进行

这两张图是二硒化钛(TiSe2)

单晶的STM图像

由于硒化钛表面性质非常活泼

暴露在空气中很容易氧化

很难在空气中得到清晰的图像

但在溶液下解理出

新鲜表面后直接进行原位观察

就可以很容易得到原子级分辨率图像了

当然

STM也存在明显的局限性

最主要的缺点在于

STM所观察的样品必须

具有一定的导电性

因此它只能直接观察导体

和半导体的表面结构

对于非导电材料

必须在其表面覆盖一层导电膜

但导电膜的粒度

和均匀性等问题会降低分辨率

这就限制了STM的应用

另外

还存在扫描范围小

不能探测深层结构信息

探针质量具有不确定性

经常依赖操作者的经验

等等问题

另外需要注意的是

由于STM实际测量的是对应于

样品表面费米能级处的态密度

如果样品表面原子种类不同

或者样品表面吸附有其他原子

分子时

也就是当样品表面存在非单一电子态时

STM得到的并不是真实的

表面形貌图像

而是表面形貌和表面

电子性质的综合结果

这时

改变偏压可能会使图像发生改变

比如

用STM研究吸附氧的n型砷化镓(111)表面

所加的偏压不同

吸附的氧原子会表现出

上凸或者下凹的状态

STM之后

在STM原理基础上又

发明了一系列扫描探针显微镜

这些新型显微镜都是利用探针

与样品之间的各种相互作用

来探测表面或界面在纳米尺度

表现出来的物理性质以及化学性质

下节课我们介绍原子力显微镜AFM

今天我们主要介绍了

扫描隧道显微镜的工作原理

构造

工作模式

及其应用

今天的课程就到这里

谢谢大家

下次课再见

现代材料分析方法课程列表:

第一章 X射线衍射

-1.1 X射线的性质及X射线的产生

--X射线的性质及X射线的产生

-1.2 X射线谱

--X射线谱

-1.3 X射线与物质的作用

--X射线与物质的作用

-1.4 衍射的几何条件

--衍射的几何条件

--衍射的几何条件-小测

-1.5 X射线的衍射方法

--X射线的衍射方法

--X射线的衍射方法-小测

-1.6 X射线的衍射数据

--X射线的衍射数据

--X射线的衍射数据-小测

-1.7 X射线衍射物相定性分析

--X射线衍射物相定性分析

--X射线衍射物相定性分析-小测

-1.8 物相定量分析方法

--物相定量分析方法

--物相定量分析方法-小测

-第一章测试题

第二章 显微分析

-2.1 显微分析概论

--显微分析概论

-2.2 电子光学基础

--电子光学基础

-2.3 透射电子显微镜结构和成像原理(上)

--透射电子显微镜结构和成像原理(上)

-2.4 透射电子显微镜结构和成像原理(下)

--透射电子显微镜结构和成像原理(下)

-2.5 透射电镜的电子像衬度原理

--透射电镜的电子像衬度原理

-2.6 电子衍射

--电子衍射

-2.7 薄膜样品的制备

--薄膜样品的制备

-2.8 扫描电镜的工作原理

--扫描电镜的工作原理

--扫描电镜的工作原理-小测

-2.9 电子束与固体的相互作用

--电子束与固体的相互作用

--电子束与固体的相互作用-小测

-2.10 扫描电镜的结构和性能参数

--扫描电镜的结构和性能参数

--扫描电镜的结构和性能参数-小测

-2.11 二次电子像的衬度原理

--二次电子像的衬度原理

--二次电子像的衬度原理-小测

-2.12 背散射电子像的衬度原理

--背散射电子像的衬度原理

--背散射电子像的衬度原理-小测

-2.13 波谱和能谱分析

--波谱和能谱分析

--波谱和能谱分析-小测

-2.14 扫描电镜的样品制备

--扫描电镜的样品制备

--扫描电镜的样品制备-小测

-2.15 扫描隧道显微镜

--2.15 扫描隧道显微镜

--扫描隧道显微镜-测试

-2.16 原子力显微镜的工作原理及应用

--原子力显微镜的工作原理及应用

--原子力显微镜的工作原理及应用-测试

-第二章测试题

第三章 波谱分析

-3.1 红外光谱概述与原理

--红外光谱概述与原理

--红外光谱概述与原理-小测

-3.2 红外光谱图解析与仪器构造

--红外光谱图解析与仪器构造

--红外光谱图解析与仪器构造-小测

-3.3 拉曼光谱概述与原理

--拉曼光谱概述与原理

--拉曼光谱概述与原理-小测

-3.4 拉曼光谱图解析和仪器构造

--拉曼光谱图解析和仪器构造

--拉曼光谱图解析和仪器构造-小测

-3.5 核磁共振氢谱的基本原理

--核磁共振氢谱的基本原理

-3.6 核磁共振谱仪的构造与氢谱解析

--核磁共振谱仪的构造与氢谱解析

-3.7 质谱分析概述及原理

--质谱分析概述及原理

-3.8 离子的类型及质谱基本术语

--离子的类型及质谱基本术语

-3.9 质谱分析及联用技术

--质谱分析及联用技术

-3.10 紫外-可见吸收光谱的基本原理

--紫外-可见吸收光谱的基本原理

-3.11 紫外-可见吸收光谱的仪器构造与应用

--紫外-可见吸收光谱的仪器构造与应用

-3.12 分子荧光光谱的基本原理

--分子荧光光谱的基本原理

-3.13 分子荧光光谱的特征与仪器构造

--分子荧光光谱的特征与仪器构造

-第三章测试题

第四章 电子能谱分析

-4.1 电子能谱概述

--电子能谱概述

-4.2 XPS基本原理

--XPS基本原理

-4.3 XPS结果分析

--XPS结果分析

-4.4 俄歇电子能谱(上)

--俄歇电子能谱(上)

-4.5 俄歇电子能谱(下)

--俄歇电子能谱(下)

第五章 热分析

-5.1 DTA基本原理

--DTA基本原理

-5.2 DTA基本结构

--DTA基本结构

-5.3 DTA曲线影响因素

--DTA曲线影响因素

-5.4 DTA定性定量分析

--DTA定性定量分析

-5.5 DSC基本原理

--DSC基本原理

-5.6 热重法

--热重法

-第五章测试题

原子力显微镜的工作原理及应用笔记与讨论

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