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1、扫描隧道显微镜分析原理及方法,Scanning Tunneling Microscope STM,概述优点与应用原理STM仪器局限性与发展,概述：1933年，德国和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：TEM、SEM、FEM、FIM、LEED、AES等。1982.年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和 Heinrich Rohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器STM。它的出现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理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命
2、科学等领域的研究中有着重广阔的前景，被国际科学界认为八十年代世界十大科技成就之一。,优点与应用：,具有原子级高分辨率。表面原子结构的研究：表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实时观测性可用与表面扩散等动态过程的研究工作环境范围广。真空、大气、常温。水或其它溶液。因此特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，如对多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面的监测等配合STS 可以得到有关表面电子结构的信息。表面态的研究：表面电子态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒变化和能隙结构等,红细胞三维图像,DNA双螺旋结构,细胞膜的表
3、面结构,细胞生长,与、的各项性能指标比较,A,tunnelingcurrent,扫描隧道显微镜(1981),tip,sample,I e2d,=A+),隧道电流,分辨率,0.05nm,A3,原理：,STM仪器：,电子反馈系统控制隧道电流计算机控制针尖扫描针尖将随样品表面起伏而起伏得到表面的第三维信息,STM仪器：,振动隔绝系统合成橡胶缓冲垫弹簧悬挂磁性涡流阻尼机械设计压电陶瓷隧道针尖计算机控制系统硬件软件,机械设计：,在方向的伸缩范围至少为，精度约为。在和方向的扫描范围至少为，精度应在左右。在方向机械调节的精度应高于。，其精度至少应在压电陶瓷驱动器方向长度变化范围内，这个变化范围由驱动点压和压
4、电陶瓷材料的压电系数所决定。机械调节的范围应在以上能在较大的范围内选择感兴趣的区域扫描针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定性，即具有较高的机械振动频率,在理想的机械设计中应满足如下要求：,压电陶瓷：压电现象,隧道针尖：,隧道针尖结构的影响制备针尖的方法：电化学腐蚀法、机械成型法,STM仪器：隧道针尖结构的影响,Schematics and Image Profiles of Spheres Scanned with a Sharp(left)and Dull(right)Probe,In Touch with Atoms,The accumulation of debris on the
5、end of the tip can also dull the tip and result in image distortion,as shown below.,Schematic and Image Profile of Trenches Scanned with a Dirty Tip,Dull or Dirty TipIf the tip becomes worn or if debris attaches itself to the end of the tip,the features in the image may all have the same shape.What
6、is really being imaged is the worn shape of the tip or the shape of the debris,not the morphology of the surface features.,Double or Multiple TipsDouble or multiple tip images are formed with a tip with two or more end points which contact the sample while imaging.The above images are examples,Loose
7、 debris on the sample surface can cause loss of image resolution and can produce streaking in the image.The image on the left is an example of the loss of resolution due to the build up of contamination on the tip when scanning from bottom-to-top.The image on the right is an example of skips and str
8、eaking caused by loose debris on the sample surface.,计算机控制系统：硬件,计算机控制系统：软件,扫描表面扫描扫描隧道谱功函数谱定标定标视图图象处理滤波对比度拉伸三维表面显示纳米加工,HL-II 型扫描探针显微镜,操作界面 for windows 9x使用方便帮助系统完善参数实时调节多通 道采集参数自动保存可离线处理可改变色阶,GdC82-Peapod 具有空间分辨的局域电子态,Khang et al.,Korea Univ.,HL-II 型扫描探针显微镜,高度定标功能长度定标功能,HL-II 型扫描探针显微镜,局限性与发展:局限,不能准确探
9、测微粒间的某些沟槽要求样品必须是导体、半导体,局限性与发展:发展,AFM(Atomic Force Microscope)LFM(Laser Force Microscope)MFM(Magnetic Force Microscope)EFM(Electrostatic Force Microscope)BEEM(Ballistic-Electron-Emission Microscope)SICM(Scanning Ion-Conductance Microscope)STP(Scanning Tunneling Potentiometry)PSTM(Photon Scanning Tunn
10、eling Microscope)SNOM(Scanning Near-Field Optical Microscope),AFM,HL-II 型扫描探针显微镜,探头,集STM,AFM为一体扫描范围可手工粗调样品厚度可达10mm,演示文稿3.ppt,我国扫描探针显微镜开发和生产,1987年依托在中国科学院北京科仪中心的中国科学院北京电子显微镜实验室和化学所研制完成了我国第一台扫描隧道显微镜。此后，化学所，北京大学,上海原子核研究所等十余个单位也制成了各种STM；化学所又研制成我国第一台原子力显微镜；中科院北京电镜室和大连理工大学开发了我国第一台光子扫描隧道显微镜。中国科学院化学所本原显微仪器开发中心，中科院电工所中科机电设备公司和上海爱建纳米科技发展有限公司等正在生产扫描探针显微镜。估计全国至今生产了一百余台扫描探针显微镜。,谢 谢！,
