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扫描隧道显微镜(STM)
Scanning Tunneling Microscope
一、简介
二、基本原理
三、STM的结构及关键技术
四、应用


3. 扫描隧道谱(STS)
五、原子力显微镜(AFM)



Δ力传感器
Δ微悬臂位移检测法

六、扫描探针显微镜(SPM)
一、简介
→电子显微镜→场离子显微镜→ STM
分辨 200nm 几个nm Å

:
Δ观察表面形貌达原子分辨
Δ无需任何透镜,不存在象差
Δ可在各种条件下测量:
真空、大气、水、油及液氮中
Δ广泛的应用:
形貌、表面电位、电子态分布
原子力显微镜及原子探针显微镜
纳米技术、表面微细加工、搬动原子

1986年获诺贝尔物理奖( and )
二、基本原理

隧道结电流密度(对两平行金属)


s:有效隧道距离
VT:所加电压
ko:ko =
φ:有效势垒高度
φ=1/2 (φ1+φ2)eV
对于真空是几个电子伏
对氧化物小于1电子伏
I-s有指数关系:
I ∝ exp[-2kos]
隧道电流在10-9-10-6 A量级
当s增加Δs时:
I ∝ exp[-2kos]·exp[-2koΔs]
设Δs =1 Å,ko≈1 Å-1 (φ∼5eV)
则 exp[-2koΔs] = e-2 ≈ 1/8
即:当s增加 1Å 时,I将减少一个数量级。

△恒高模式
用隧道电流的大小来调制显象管的亮度
△恒电流模式
用电子学反馈的方法控制针尖与样品间距离不变(保持隧道电流不变),用反馈调制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三维图象。
精度控制估算:
由 I ∝ exp[- 2 kos]
lnI = - 2 kos + 常数
两边微分ΔI/I = - 2 koΔs
若保持隧道电流 I不变
ΔI/I 在±2%之内(电路控制可达精度)
设 ko≈1Å -1,则Δs ≈ Å
表明: Å
三、扫描隧道显微镜的结构
1. 技术关键
△微小距离的移动及控制-压电陶瓷
位移灵敏度在 5Å /V 量级
STM针尖半径R 3-10 Å
针尖与表面距离 2-5 Å
△防震

三维控制的压电陶瓷:
Px和Py上加周期锯齿波电压,使针尖沿表面作光栅扫描。
利用隧道结电流I反馈,控制加于Pz上的电压来控制s,以保持I不变。
如s↗→ I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长→ s↘。
VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
△ XYZ位移器(样品位置细调〕
微小距离移动的精确控制
△样品粗调
使针尖与表面的距离,从光学可觉察的距离
(10- 100μm) 调整到100 Å 量级
- Louse 结构
- 精细螺旋机构
△防震系统分析
- 使由振动引起的隧道距离变化 nm
(振动:针对重复性、连续的,通常频率在
1-100Hz)