在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2.了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM），一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
激光检测原子力显微镜（Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM）——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器（Detector）。
在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路(Feedback）的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针样品相互作用的强度，实现反馈控制。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告引言：扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种重要的纳米尺度观测仪器，它通过利用量子隧穿效应来实现对表面原子的成像。
本实验旨在通过使用STM来观察和研究不同样品表面的原子结构和性质，以及探索STM在纳米科学和纳米技术领域的应用前景。
实验方法：1. 样品制备：选择不同材料的样品，如金属、半导体或绝缘体，并进行表面处理，如抛光或清洗，以确保表面平整和干净。
2. STM装置设置：将STM装置连接至计算机，并进行相关设置，如校准扫描范围和调整扫描速度等参数。
3. 样品安装：将样品固定在样品台上，并确保其与STM探针的接触良好。
4. 扫描图像获取：通过控制STM探针的运动，以及调整扫描电压和电流等参数，获取样品表面的原子级分辨率图像。
5. 数据分析：利用专业的STM图像处理软件对所获得的图像进行分析和处理，以提取样品表面的结构和性质信息。
实验结果与讨论：通过对不同样品进行STM观察，我们可以得到高分辨率的原子图像。
以金属样品为例，我们观察到了其表面的原子排列规律，如金属晶体的晶格结构。
通过测量原子之间的间距，我们可以获得样品的晶格常数，并进一步研究其晶体结构和晶体缺陷等特性。
在半导体样品的观察中，我们可以发现其表面的原子排列存在一定的有序性，但与金属样品相比，半导体样品的表面结构更为复杂。
通过对半导体晶体表面的原子分布进行分析，我们可以了解其晶体生长过程中的缺陷形成机制，并为半导体器件的制备和性能优化提供重要参考。
此外，我们还观察到了绝缘体样品的表面结构。
与金属和半导体样品不同，绝缘体样品的表面原子排列更为松散和无序。
通过对绝缘体样品表面的原子间隙进行测量，我们可以得到绝缘体材料的晶格参数和晶体结构信息，为其性质研究和应用提供基础。
扫描隧道显微镜不仅可以提供原子级分辨率的表面图像，还可以通过在不同扫描位置测量电流变化来研究样品的电子态密度分布。
复旦大学近代物理实验书面报告扫描隧道显微技术及其应用
复旦大学近代物理实验书面报告扫描隧道显微技术及其应用姓名:李哲明学号:专业:材料物理2007年12月26日摘要Advent of scanning tunneling microscope (STM) enabled us to observe and manipulate surface atoms by using an STM tip.Based on the study on the behavior of surface electronics states, we know an important phenomena ---the existence of the “tunnel effect”.The research in the thesis could be divided into two parts, namely, the elements of “tunneling current” between an STM tip and sample surface atoms, and how to look into the fascinating world of the atoms by using STM system.Keywords: STM, atom, tunneling引言通过以前的学习过程，我们早就知道物质是由分子和原子组成的却很少有机会去亲眼看见它们的存在。
STM（扫描隧道显微镜）可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图像。
扫描隧道显微技术是80年代才发展起来的一种新型表面分析技术。
它的发明曾在学术界引起轰动，其发明者Gerd Binning 博士等也因此而获诺贝尔奖。
通过本实验，我们可以观测和验证量子力学的隧道效应，并且可以看到光栅和石墨等样品表面形貌和用计算机软件得到的数据图像。
理论上，扩展扫描显微技术除了观察表面结构和原子排列以外，在表面上还可以实现原子单位大小的具体操纵。
扫描隧道显微镜-复旦大学物理教学试验中心
扫描隧道显微镜-复旦⼤学物理教学试验中⼼扫描隧道显微镜实验分析及讨论0530052 杜⽩材料物理摘要分析实验中各参数的影响,对图像的产⽣中的主要因素进⾏讨论,并提出⼀些改进⽅法,最后谈谈实验感想.引⾔我们早就知道了物质是由分⼦和原⼦组成,但是普通的显微镜难以做到观察物质原⼦排列的分辨率.扫描隧道显微镜则可以在极⾼的分辨率下直接给出固体表⾯原⼦的排列情况,使⼈们亲眼看到了它们的存在.与其他的显微镜相⽐,扫描隧道显微镜在⼤⽓环境下就可以得到稳定的⾼分辨率的原⼦图像.我做这次实验的主要内容是通过对扫描隧道显微镜学习,观察光栅表⾯形貌,从⽽对扫描隧道显微镜有⼀个初步了解.理论部分:扫描隧道显微镜的⼯作原理扫描隧道显微镜的⼯作原理是基于量⼦⼒学中的隧道效应.粒⼦能穿透⽐它动能更⾼的势垒的现象,称为隧道效应.扫描隧道显微镜的基本原理是原⼦线度极细的探针和被研究物质表⾯作外两个电极,当样品与针尖的距离⾮常接近(⼩于1nm)时,在外加电场的作⽤下,电⼦会穿过两个电极之间的势垒流向另⼀电极.隧道电流是电⼦波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离s以及平均功函数有关.被测样品应具有⼀定的导电性.隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系,当距离减⼩0.1nm,隧道电流即增加约⼀个数量级.因此根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表⾯微⼩的⾼低起伏变化的信息,如果同时对x,y⽅向进⾏扫描,就可以直接得到三维样品表⾯形貌图,这就是扫描隧道显微镜的⼯作原理.实验部分实验⽤NanoSPM-Ⅲ型扫描隧道显微镜.⼤体步骤如下:①⽤棉球占丙酮清洗底盘,针尖以及要剪针尖的硬钢丝剪⼑.剪时沿30°劈⾓或更⼩劈⾓使针尖有较强的硬度和尖度.在底盘上装上样品(光栅).②利⽤放⼤镜⼿动进针和计算机⾃动进针使针尖进⼊样品的隧道区.③通过具体参数的改变,扫描观察得较清晰的图像.这⾥设定参数是主要环节,具体参数有:扫描⾓度,扫描量程,扫描速度,中⼼位置,⽐例增益,积分增益,针尖偏压,隧道电流,⾼度图像显⽰范围,电流图像现实范围.④利⽤软件进⾏图像的离线分析,得直观形象的结果.实验的主要环节在设置合理的参数得到清晰的实验图,那么怎样选择参数显得很关键.下⾯谈谈通过实验,我对这些参数的理解.扫描范围—针尖扫过样品的长度.⼀般设置为使图像上出现3个完整的光栅图像,1000nm.扫描速率—在扫描范围内扫描的速度.扫描速度太快会导致图像清晰程度降低,因为在恒流模式下针尖在样品某处的停留时间是⼀定的,扫描速率太快,针尖对样品还没来得及做出伸缩反映便已经扫描下⼀个点了,不利于得到图像.速率过慢也没必要,浪费有效的实验时间.本次理想实验值1hz扫描⾓度—针尖与样品之间的扫描夹⾓.由于是⽤剪⼑剪的针尖,在放置针尖时品与针尖的具体⾓度⽆法得知.实验时我改变了⾓度并扫描,以得到最清晰的图时的⾓度为最好.最终在不改变默认⾓度时图像最能接受.⽐例,积分增益—分别为前置放⼤器的增益和积分时间.增益的主要⽬的是使微⼩的改变变⼤,因此需要有适当的⽐例.⽽过⼤则会使图像失真.实验是较好的值是5.00中⼼位置—改变中⼼位置可以改变扫描样品的位置,便于寻找样品的理想观察区.针尖偏压—针尖与样品之间的偏压.隧道电流和加在针尖与样品之间的偏置电压V如下关系:I=BVexp(-kS)B是常数,k是与平均功函数有关的数,样品与针尖距离为S. 实验偏压设置为0.5nA.隧道电流—设置恒流值的⼤⼩.⾼度图像现实范围,电流图像现实范围—控制显⽰量程的量,实验时量程的选择应使⾼度和电流恰好在量程内显⽰出来,这样图像就会有⾼度差异,便于做⽴体图.结果与讨论:在以上参数的设置下,我扫描得到了相对好⼀点的图像.做了⼀张三维图像.其实这张图⽚的质量也不很理想,只是反映出了光栅的⼤致⾯貌,图像与真实相差还⽐较⼤,原因主要有:㈠针尖的问题.针尖的⼤⼩和形状直接关系着扫描出来的图像的优劣.因为是在⾁眼情况下剪出的针尖,虽然简便,但是可靠性不佳,⽽且针尖的宽度和形状会使图像发⽣畸变,会发⽣变窄效应㈡空⽓湿度的影响.空⽓潮湿电⼦的势垒会下降,隧穿⼏率会⼤幅提升,仪器对电流灵敏度⼀定,势垒降低,⾼度灵敏度下降,图像受到影响.但是实验条件下湿度为70％,影响不可忽略. ㈢外界震动的影响.扫描隧道显微镜的精确度⾼达原⼦级,对外界的环境有较⾼的要求.外界的震动有些是不可避免的,如地⾯上传来的⼀些固有震动等.但是很多⼈为因素影响可以减⼩,例如⼈的说话⾛动,空调等机器的震动等,这些反映在图上就是扫描区域的不连续图像. ㈣实验参数的设置.实验中,实验参数之间的搭配如果考虑不周,也会对结果有影响.这就需要耐⼼的实验和改进.基于上述问题,⽐较有效的改进⽅法有三:⼀个是扫描设置参数的进⼀步优化.多次实验总结进⽽得出较好的参数搭配.另⼀个是改变探针的制备⽅式,如腐蚀法:先在溶液中腐蚀使端部有⼀个尖锐的⼩尖,再使该尖端在腐蚀剂中⼭下移动快速接触,这样尖端会更尖锐,表⾯更光滑.第三是减⼩⼈为的噪声,震动,做实验注意轻和缓.我们在实验中能看见装置都是放在底部垫有厚厚的缓冲垫的桌⼦上,并且实验仪器桌⼦和其他桌⼦都是分开的,就是为了消除外界⼲扰.有设备的话可以在实验前进⾏除湿⼯作.⼩结:本次实验让我更深刻地了解了STM的⼯作原理及其特点,通过学习,提出实验中⼀些可以改进的⽅法.这在实验中确实很重要.本实验对操作要求较⾼,所以也是锻炼我们动⼿能⼒和解决问题能⼒的好机会.况且由于实验器材昂贵精密,稍有疏忽就会有很⼤的损失,这就更加督促我们认真⼩⼼实验.感谢实验中马进以及⽼师的帮助指导,使我在顺利完成实验的同时,也对实验有了更深刻更全⾯的了解.参考⽂献:<<物理实验补充讲义>> 复旦⼤学物理教学实验中⼼马进<>⽩春礼,扫描隧道显微术及其应⽤,上海科学技术出版社,1992。
物理仿真实验报告
物理仿真实验报告学号：2010038026班级：化工02姓名：高林娜时间：2011.12.20实验题目：扫描隧道显微镜一、实验目的：1. 学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；2. 观测和验证量子力学中的隧道效应；3. 学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；4. 学习用计算机软件处理原始图象数据。
二、实验原理：隧道电流扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1)这个现象称为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。
经计算，透射系数T为：由式(1)可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。
随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
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S以及平均功函数Φ有关：式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
扫描隧道显微镜的工作原理由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。
扫描隧道显微镜实验报告
近代物理实验报告扫描隧道显微镜班级物理081学号********姓名周和建时间2011年4月20日【摘要】扫描隧道显微镜是利用量子力学中的隧道贯穿原理，根据物质表面出现电子的几率随着离开表面距离的变化符合负指数的变化，显微镜探测针头将从物质表面搜集到的散逸出来的电子产生的电流信号用以描述物质表面情况，以此达到观察物质微观结构的目的。
【关键词】扫描隧道，针尖，隧道电流【引言】原子是生化层面上物质组成的最小单位。
在人类认识世界的进程中，人们发现了各种元素的特性以及不同元素之间的规律，物质组成的规律，物质转化的规律等等，并继续不断研究以逐步完善着这个知识体系。
此类研究曾一度陷入瓶颈，问题的关键在于科研仪器的限制，就像多年以前，人们只能猜测原子的结构，并产生了多种说法。
随着科学技术的发展，如今，人们已经可以清楚的观察原子的外貌，甚至可以凭意志去操控单个原子。
这对于人类改造自然的事业来说是一种质的跨越。
而这一切主要归功于显微技术的发展。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）。
STM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化性质，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泛的应用前景，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。
为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。
与其它表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点：具有原子级高分辨率，可以分辨出单个原子。
可实时再现样品表面的三维图像，可以观察单个原子层的局部表面结构，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置。
可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其它溶液中。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜【摘要】本实验利用化学腐蚀法制作STM 针尖，再利用所得针尖进行恒电流模式扫描，以得出样品高定向热解石墨（HOPG ）的扫描图像，经过图像除干扰处理，最后得出电压灵敏度分别为21.20(ÅV ⁄)和29.35(ÅV ⁄)。
【关键词】STM ，恒电流，扫描【引言】扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，简称为STM 。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特征成为可能,STM 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化性质，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泛的应用前景，是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一。
【实验原理】扫描隧道显微镜是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它是用一个极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于１纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。
此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级１０Ａ的隧道电流。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。
如图1所示，φ0为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，则该粒子穿透厚度为z 的势垒几率P 可用下式表示：P (z )∝e −2kz，其中k =1ℏ√2m (φ0−E )。
STM 技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏置电压的针尖。
当图 1 典型矩形势垒的隧穿几率函数样品和探针的距离非常近时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录隧道电流的变化就可以得到有关样品表面的形貌信息。
而隧道电流可用下式表示：I=V b exp(−AΦ12s)其中，V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ≈12(Φ1+Φ2)，Φ1和Φ2分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1.STM针尖工作方式可分为恒高和恒电流两种模式。
扫描隧道显微镜 (2)教学文稿
如果钴原子被置于量 子围栏焦点之外的任意 一个地方，即不在焦点 上，“幻影”效应随即 消失。看上去只有一个 原子。
这个实验结果的重要意 义在于直接观察到量子效应 将信息从一个原子传送到另 一个原子，中间无需任何连 接，而不可思议的是另一个 原子不一定是真实的。这一 现象在我们所处的宏观世界
中是不可能发生的。
2、即使在样品是导体,但表面存在非单一电 子时, STM观察的并不是真实表面形貌图形, 而是样品的表面形貌和表面电子性能的综 合表现.
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扫描隧道显微镜 (2)
纳米材料分析和表征
STM Show time
20世纪80年代初期，IBM公司苏黎世实验 室的两位科学家葛·宾尼和海·罗雷尔发明了 扫描隧道显微镜（简称STM ），它具有惊人 的分辨本领（水平分辨率小于0.1nm,垂直分 辨率小于0.001nm).一般情况下，物体在固态 下原子之间的距离小于0.1到零点几个纳米之 间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构 的原子、分子状态清晰可见。
STM的应用
STM最初是作为具有原子级空间分辨率 的显微镜出现的，自1990年IBM公司成功 运用针尖操纵原子之后， STM又作为原子 、分子和纳米结构加工工具得到人们的广 泛重视。
借助于STM的空间分辨能力，可以测量 单个分子、单个纳米颗粒、单根纳米线和 纳米管的电学、力学以及化学特性，从而 催生了单分子科学这个新的研究领域，也 有力的促进了新一代纳米电子学器件和分 子电子学器件的研究工作。
STM的应用
科学家使 用STM观 测物质的 纳米结构
• 观察原子 用扫描隧道
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第26卷第3期 2007年3月实验室研究与探索RESE ARCH AND EXP LORATI ON I N LABORAT ORYV ol.26N o.3 M ar.2007 在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习向 东a, 王青玲b, 柳金凤a, 何开华a(中国地质大学a.数学与物理学院;b.地球物理与空间信息学院,湖北武汉430074)摘 要:把新成果转化为物理实验,能源源不断地推出新的实验,而这些新的实验又能极大提高学生们对物理实验的兴趣。
本文介绍了在新开设的扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习的教学实践,介绍了5步教学方法的具体做法及取得的教学效果。
关键词:隧道电流;扫描隧道显微镜;5步教学法中图分类号:G 642.423文献标识码:A 文章编号:1006-7167(2007)03-0089-04Teaching Practice for Developing Student ’s Re search Capability in STM ExperimentXIANG Dong a, WANG Qing 2ling b, LIU Jing 2feng a, HE Kai 2huaa(a.Dept.of Mathematics and Physics ;b.Inst.of G eophysics and G eomatics In formation ,China Univ.of G eosciences ,Wuhan 430074,China )Abstract :Translating new scientific research products into physics experiment can present a lot of new experiments for our students ,which can inspire students ’interesting to physics experiment.This paper introduced a teaching practice for developing students ’research capability in ST M experiment and a new teaching method —five 2step teaching method and its teaching effect.K ey w ords :tunnel current ;ST M ;five 2step teaching methodC LC number :G 642.423 Document code :A Article ID :1006-7167(2007)03-0089-04收稿日期:2006-03-16作者简介:向 东(1978-),男,湖南邵阳人,讲师,硕士,研究方向:光电器件及光电信号处理。
Email :xiangdongde @1 引 言自从1986年扫描隧道显微镜(ST M )的发明者Binnig 和R ohrer 荣获诺贝尔物理奖以来,ST M 这一新型表面分析技术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的工作者的关注和兴趣,其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。
扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应,由量子力学可知,当势垒高度大于粒子能量时,由于粒子的波动性,粒子仍有可能穿透势垒,出现在另一边。
如图1所示。
在扫描隧道显微镜中,将原子线度的金属探针头和待测的导电样品表面作为两个电极,当两个电极之间的距离小于1nm 时,在外加电场的作用下电子会穿透势垒流向另一极,形成显著的隧道电流I :I ∝V b exp (-A Φ12S )(1) 式中V b 是加在两极上的偏压,A 为常数,在真空条件下约等于1,Φ为两极的平均功函数,Ф=12(Φ1+Φ2),其中Φ1,Φ2分别为各个电极的功函数,S 为两极间的距离。
图1 量子力学中的隧道效应 由式(1)可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离非常敏感,如果距离S 减小0.1nm ,隧道电流I 即增加约一个数量级。
因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对x 2y 方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图。
图2为ST M 的实验装置,图3为在实验室里用ST M 观察到的光栅表面形貌。
在实验教学过程中,为了让学生不仅掌握此实验的关键技术,同时激发对物理实验的兴趣,培养和锻炼其创新能力,运用了理论→对比→设置疑问→实践、讨论→理论5步教学法。
图2 ST M 的实验装置图3 光栅表面形貌2 扫描隧道显微镜的特点在这个实验中,布置了将隧道效应与空气的高压击穿现象进行比较的题目,通过这个题目要求学生查阅资料,来进一步加深对量子力学中隧道效应概念的理解,更好地理解ST M 的工作原理。
学生在实验室利用高压击穿测试仪,测量得到一些简单的参数,与ST M 实验讲义中所给出的参数进行简单比较,能对势垒概念有更清晰的认识[1];对实验中隧道电流、偏置电压、隧道宽度等参数的数量级有比较感性的认识,从而在实验操作时更加认真仔细。
比较结果如表1所示。
在将照相机成像与ST M 成像进行比较后,学生们就会发现ST M 的显著优点:①分辨率极高,可以达到原子量级,因此可以深入到微观世界的观察;②能够得到观察对象的三维形貌图,而不是平面图形。
3 探索STM 实验系统的关键技术3.1 获得理想扫描图样关键技术测试过程中的防震系统和针尖的制备过程是两个至关重要的因素。
由(1)式I 2S 的指数关系可知,样品表面的起伏极为敏感地影响着隧道电流的大小。
扫描隧道显微镜的底座常常采用大理石和橡胶垫叠加的方式,其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响,其固有阻尼一般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。
此外,仪器中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式,以满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。
由ST M 的工作原理可知,扫描探针针尖所起的作表1 STM 中的隧道效应与空气的高压击穿现象的简单比较原理空气厚度两极电压影响因素电流性质隧道效应两极中间的绝缘体视为势垒,由于粒子的波动性,小于势垒能量的电子在外加电场的作用下穿透势垒几个nm 几百mV极间距离、两极电压、表面电子状态等隧道电流是两极电子波函数重叠的量度空气的高压击穿两极之间的绝缘气体内部带电质点获得能量,剧烈运动,发生碰撞电离,而导致电导增大,形成击穿0.1～1mm几千V极间距离、两极电压、电极形状等碰撞电离形成的导电粒子在电场作用下形成的电流用是很重要的,如果针尖突向样品表面的顶点只有一个稳定的原子,隧道电流就会很稳定,就能获得原子级分辨率的图像。
如果针尖不是单个顶点,而是两个或多个,特别是在恒流工作模式下每个突起部分对隧道电流都有相同的贡献,ST M 图像就会失真。
因此,针尖的制作是ST M 实验中关键的一步,要求学生利用实验室提供的条件,用电化学腐蚀法和机械成形法制作针尖,并用显微镜观察制作的结果。
学生根据实验室提供的溶液、直流电源等设备,自己查找资料制定实验方案,自己动手制作针尖。
3.2 反馈系统的具体实现该电子反馈系统最主要的是模拟反馈功能。
实验开始时,可以利用控制软件让马达带动针尖靠近样品表面,当检测到的反馈电流达到设定值时,便停止靠近。
针尖与样品之间的偏压由计算机数模转换通道给出,在扫描时通过X 、Y 、Z 偏压控制压电陶瓷3个方向的伸缩,进而控制针尖的扫描。
在恒流模式中,控制系统要根据反馈的电流适时动态调节针尖的高度,以达到恒定电流的目的。
电子学控制系统中的一些参数,如隧道电流、针尖偏压的设定值,反馈速度的快慢等,都随着不同样品而异,因而在实际测量过程中,这些参量是可以调节的。
一般在计算机软件中可以设置和调节这些数值,也可以直接通过电子学控制机箱上的旋钮进行调节。
参见图4。
9 实 验 室 研 究 与 探 索第26卷 图4 控制系统原理图3.3 扫描方向及工作模式对图片质量的影响在ST M中曲率半径在原子线度的导电探针在压电陶瓷的驱动下,在样品表面做二维光栅式扫描,在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒,形成隧道电流。
根据针尖位置上下移动或隧道电流变化,可探测样品表面的电子态密度分布,由该分布反映出样品表面形貌。
对不少样品,发现探针扫描方向不同,图像会有差异,有时甚至很大。
这时可以引导学生从ST M的工作原理进行分析,然后用测试的结果去验证他们的理论分析。
ST M的工作方式有恒流和恒高两种模式,以恒流模式为例,此时针尖高度在反馈回路控制下上下移动维持隧道电流恒定。
因为针尖横向扫描速度是恒定的,而反馈控制过程是一个动态过程,要达到预先设置的隧道电流值需要一定的响应时间,所以如果样品表面电子态密度在各方向上的变化梯度不一致,当针尖扫过一个新的位置时,隧道电流有可能尚未达到预先设置值。
这样即使对于同一样品的同一区域进行扫描,当扫描方向分别从左向右或从右向左或自上而下或自下而上时,就造成ST M图像差异。
如果样品表面变化梯度很大,可以预期这种差异也将很大。
4 扩展STM应用范围,开展研究性学习在实验室里原来只有金膜、石墨及光栅3种样品。
其实ST M有着非常广泛的应用,每一种应用都可以作为一个课题进行深入研究,激发探索微观世界的兴趣。
4.1 碳纳米管的结构02级物理系的石宏新同学在查阅各种资料后,实现了用ST M对WS2纳米管样品的观察。
在学校纳米科技中心的帮助下,获得了WS2纳米管样品。
将粉末状的WS2纳米管样品溶于乙醇试剂中,使用超声混合以后,均匀涂于解理好的高定向热解石墨上,同时在石墨下方加热使乙醇迅速挥发,如此反复30遍左右,即可制成观察样品。
在大气环境,真空度为10-2Pa的数量级的条件下,实现了对WS2纳米管样品的观察。
在40.0nm×40.0nm观察范围内,偏压700mV,隧道电流0.7nA 的条件下,可以看见紧靠在一起的多根管状物(图5),或是单根的管状物(图6)[2]。
图5 ST M观察到的多根管状物图6 观察到的单根的管状物4.2 DNA分子双螺旋结构的STM观测2001年重庆大学数理学院蔡从中、王万录等,用自制的ST M经高序定向热解石墨(H OPG)对扫描组件进行定标后,采用展开法制样,在常温常压的自然条件下,对猪脾DNA分子进行了观测研究,得到了石墨表面清晰的原子分辩图像,以及猪脾DNA分子双螺旋结构的ST M形貌图。
他介绍了生物样品的制备方法,并对实验结果进行了分析和讨论。
扫描电子显微镜(SE M)的生物样品制样过程复杂,要经过清洗、脱水、镀膜等一系列处理。