扫描隧道显微镜STM
合集下载
扫描隧道显微镜STM
5)可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚 至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且 探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生 物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如 对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中 电极表面变化的监测等。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用 于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这 种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研 究．
3) 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对 体相或整个表面的平均性质，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，以及由 吸附体引起的表面重构等．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用 于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这 种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研 究．
3) 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对 体相或整个表面的平均性质，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，以及由 吸附体引起的表面重构等．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。
STM扫描隧道显微镜
（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）
STM的原理
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：
1
I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压ห้องสมุดไป่ตู้平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。
STM的原理
图是STM的基本原理图， 其主要构成有：顶部直径 约为50—100nm的极细金属 针尖(通常是金属钨制的针 尖)，用于三维扫描的三个 相互垂直的压电陶瓷(Px， Py，Pz)，以及用于扫描和 电流反馈的控制器 (Controller)等。
STM的原理
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。
谢谢观看
(a)
(b)
STM的工作环境
• 超高真空和室温条件
• 在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。
Φ为物质表面的平均功函数
S是针尖和样品之间距离
I是隧道电流
2.STM的工作模式
• 恒流模式 • x,y方向起着扫描作用，而
Z方向具有一套反馈系统， 初始的隧道电流为一恒定 值，当样品表面凸起时， 针尖就会后退，以保持隧 道电流的值不变；当样品 表面凹进时，反馈系统将 使针尖向前移动，计算机 记录了针尖上下移动的轨 迹，合成起来，就可给出 样品表面的三维行貌。
STM的原理
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：
1
I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压ห้องสมุดไป่ตู้平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。
STM的原理
图是STM的基本原理图， 其主要构成有：顶部直径 约为50—100nm的极细金属 针尖(通常是金属钨制的针 尖)，用于三维扫描的三个 相互垂直的压电陶瓷(Px， Py，Pz)，以及用于扫描和 电流反馈的控制器 (Controller)等。
STM的原理
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。
谢谢观看
(a)
(b)
STM的工作环境
• 超高真空和室温条件
• 在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。
Φ为物质表面的平均功函数
S是针尖和样品之间距离
I是隧道电流
2.STM的工作模式
• 恒流模式 • x,y方向起着扫描作用，而
Z方向具有一套反馈系统， 初始的隧道电流为一恒定 值，当样品表面凸起时， 针尖就会后退，以保持隧 道电流的值不变；当样品 表面凹进时，反馈系统将 使针尖向前移动，计算机 记录了针尖上下移动的轨 迹，合成起来，就可给出 样品表面的三维行貌。
扫描隧道显微镜STM
单分子化学反应已经成为现实
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
5
2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
6
2.STM的原理
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。
16
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
17
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
5
2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
6
2.STM的原理
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。
16
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
17
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
扫描隧道显微镜的工作原理与应用
扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。
它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。
STM具有非常高的分辨率，能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵，因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。
隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。
在STM中，金属探头和样品之间形成一个电势差，并使用一个反馈电路来保持电流恒定。
隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。
探头与样品之间的距离非常小，约为几个纳米，隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。
当探头在样品表面上移动时，由于样品表面具有不同的高度和电性特征，因此隧穿电流的大小也会发生变化。
这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息，然后通过计算机处理并呈现出来。
样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。
二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域，如表征材料表面和分析材料电子结构等。
在纳米材料研究中，STM可以检测材料中的特定原子和分子，并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。
B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。
它可以研究各种表面效应，例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。
此外，STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。
C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。
纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。
通过STM可以定量地观察单个原子和分子，这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。
D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。
在生物领域，STM可用于研究DNA分子的结构和功能，以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。
E.电子学STM还可以用作电子学中的电极，例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜，它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。
STM是一种非常重要的显微镜，它可以在原子尺度上观察表面的原子结构，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。
扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。
当一个尖端探针靠近样品表面时，尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。
这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关，当探针移动时，电流的大小也会发生变化。
通过测量这个隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑结构信息。
在STM中，尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上，可以在样品表面来回扫描。
当探针靠近样品表面时，由于隧穿效应，会产生隧穿电流。
探针和样品之间的距离非常小，通常在纳米尺度，这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。
通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小，可以得到样品表面的原子结构信息。
扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为，首先，将尖端探针放置在样品表面附近，然后通过控制尖端探针的位置，使其在样品表面上来回扫描。
在扫描的过程中，测量隧穿电流的大小，并将这些数据转换成图像，就可以得到样品表面的拓扑结构信息。
通过对这些图像的分析，可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。
扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力，可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用，可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。
同时，随着技术的不断进步，STM的分辨率和稳定性也在不断提高，为科学研究提供了强大的工具。
总之，扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜，利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它具有高分辨率、原子尺度的观测能力，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
扫描隧道显微镜(STM)
返回
图9-4
返回
图9-5
返回
二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
返回
（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
下一页 返回
（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
1 2 3 4
上一页 返回
三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
返回
一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
图9-4
返回
图9-5
返回
二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
返回
（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
下一页 返回
（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
1 2 3 4
上一页 返回
三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
返回
一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
扫描隧道显微镜(STM)PPT课件
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
1．表面形貌测量及分辨率 2．逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
1
五、原子力显微镜（AFM）
1．特点 2．工作原理 3．结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举
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。
9
△ 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 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在 1－100Hz)
10
四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有 一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与 R、 s 和 ko 有如下近似关系：
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。
3．扫描隧道谱(STS)
在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征峰
的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm 则有：F = kΔz
Scanning Tunneling Microscope
一、简介 二、基本原理 三、STM的结构及关键技术 四、应用
1．表面形貌测量及分辨率 2．逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
1
五、原子力显微镜（AFM）
1．特点 2．工作原理 3．结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举
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。
9
△ 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 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在 1－100Hz)
10
四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有 一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与 R、 s 和 ko 有如下近似关系：
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。
3．扫描隧道谱(STS)
在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征峰
的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm 则有：F = kΔz
扫描隧道显微镜
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
i Ue A d A — 常量
— 样品表面平均势
垒高度（~ eV）
。 d ~ 1nm（ 10A ）
d 变 i 变，反映表面情况
d 变 ~ 0.1nm i 变几十倍，非常灵 敏。竖直分辨本领可达约10 2 nm
横向分辨本领与探针、样品材料及 绝缘物有关，在真空中可达 0. 2 nm。
技术关键：
1. 消震：多级弹簧，底部铜盘涡流阻尼。 2. 探针尖加工：电化学腐蚀，强电场去污，
针尖只有1~2个原子！ 3. 驱动和到位：利用压电效应的逆效应 —
电致伸缩，一步步扫描，扫描一步 0.04nm，扫描1(m)2 约0.7s。
4. 反馈：保持 i 不变 d 不变（不撞坏针尖）
显示器
1991年2月IBM的 “原子书法”小组又 创造出“分子绘画” 艺术 — “CO 小人”
图中每个白团是单个 CO分子竖在铂片表面 上的图象，上端为氧 原子 CO分子的间距： 0.5 nm “分子人”身 高：5 nm堪称世界上 最小的“小人图”
48个Fe原子形成“量子围栏”，围 栏中的电子形成驻波。 Fe原子间距： 0.95 nm，圆圈平均半径：7.13 nm
压电 控制
加电压 反馈传感器
隧道 电流
参考信号
扫描隧道显微镜示意图
中国科学院化学研究所研制的CST图象
用原子操纵写出的“100”和“中国”
1991年恩格勒等用STM在镍单晶表面逐个移动 氙原子，拼成了字母IBM，每个字母长5纳米
扫描隧道显微镜（STM）
（Scanning Tunneling Microscopy）
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
STM的工作环境
溶液条件
化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化 学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分 子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。
利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用， 使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、 “滑动”、“推动”三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转 移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。
5.STM的应用
STM的工作模式
恒高模式 x,y方向仍起着扫描的 作用，而Z方向则保持 水平高度不变，由于隧 道电流随距离有着明显 的变化，只要记录电流 变化的曲线，就可以给 出高度的变化
3.STM的工作环境
大气和室温条件
在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和 MS2(二硫化钼) 3nm×3nm表面的原子图像。对于在大气中容易被氧化 的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原 子结构图像，而超高真空的环境是必要的。
(a)
(b)
STM的工作环境
超高真空和室温条件
在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。 图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。 其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流 为0.6nA。
单分子化学反应已经成为现实
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO 分子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。 一个更为直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸附在Cu 单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来， 然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成 了一个完整的化学反应过程。
STM的工作环境
超高真空和低温条件
温度对于材料表面上原子和分子的稳 定性是一个非常重要的条件。例如， 在室温时，金属材料表面上的金属原 子大多不稳定，而吸附在样品表面上 的C60分子更是始终在旋转着，无法 稳定。同时，材料的电子特性研究在 很多情况下也要求低温的条件。 低温时，样品的原子表面结构可以保 持非常稳定的状态。图是一组低STM 的系列图片。实验时，样品被液氯冷 却到约15OK的温度，每隔45分钟扫 描一幅图片。从图中可以发现，样品 的原子表面结构十分稳定，从右到左 的热飘移仅为每小时一个原子左右 (0.3nm左右)。
STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
STM的原理
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。
5.STM的应用
在分子水平上构造电子学器件
一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所 施加的电压的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧 穿的作用会出现新的物理现象──负微分电导。中国科技大学的科学家 仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。他们利用STM针尖将吸附 在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖 移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上 电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结 构。 这项工作通过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器 件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方 面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。
STM的工作环境
超高真空和高温条件
STM可以在高温的条件下工作，这 对于观察半导体和金属等材料表面 的高温相变是非常重要的。高温工 作的STM必须具备十分良好的温度 补偿功能，否则，样品表面的温度 漂移将使我们无法看到相同区域的 原子表面结构。 图是在860OC时用STM实时地观察 S(111)表面上形成7x7结构的重构过 程。从图中可以看到，大部分7x7结 构已经形成，但是在图的右上角区 域尚未完成表面原子的重构。
2.STM的工作模式
恒流模式 x,y方向起着扫描作用，而Z 方向具有一套反馈系统，初 始的隧道电流为一恒定值， 当样品表面凸起时，针尖就 会后退，以保持隧道电流的 值不变；当样品表面凹进时， 反馈系统将使针尖向前移动， 计算机记录了针尖上下移动 的轨迹，合成起来，就可给 出样品表面的三维行貌图。
C59N单分子整流器
在我们的实验中，将 Pt-Ir合金材料的 STM针尖放置在位于自组装硫醇膜上 的单个 C59N分子上方，这样就构成了 一个双势垒隧道结（DBTJ）系统。 在这个系统中，针尖和C59N分子之间 的真空结是第一个隧道结。硫醇膜就作 为金衬底与 C59N分子之间的绝缘势垒 而存在，这是另一个隧道结。在满足某 些条件的情况下，DBTJ系统的电流电 压曲线会表现出典型的库仑阻塞和库仑 台阶行为。所有的曲线相对于电压零 点都具有显著的不对称性，表现为整流 效应。
C59N单分子整流器
通过将单个 C59N分子置于双势垒隧道结中，从而利用单电子隧 穿效应和 C59N分子的特殊能级结构，实现了一种新型的单分子 整流器件。 实验中这个整流器件的正向导通电压约为 0.5v-0.7v，反向击穿 电压约为 1.6v-1.8v。理论分析表明，中性 C59N分子的半占据 费米能级以及在不同充电情况下费米能级的不对称移动是形成整 流效应的主要原因。其构成原理也决定了该器件具有稳定、易重 复的特点。
C59N单分子整流器
右图为STM图像：扫描隧道显微镜 实验在 0.01torr的真空度下进行。 从 图像上，我们可以观察到衬底上 的 C59N分子表现为比较圆的亮点, 图中也可见清晰的自组装硫醇膜的 晶格。 沿着 AB线的 图像截面表明 C59N分子在硫醇膜表面是一个宽约 2nm 的一个突起，高度约 为0.8nm。 作为对照，我们测量了硫醇膜表面 吸附的 C60分子，发现其截面 曲线与 C59N是非常相似的, 表明 C59N分子确实以单体形式存在于表 面。
扫描隧道显微镜
1.STM的原理
ห้องสมุดไป่ตู้
STM的原理
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Vo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，这个现象称为隧道效应。
（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）
STM的原理
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：
1 I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。 Φ为物质表面的平均功函数 S是针尖和样品之间距离 I是隧道电流
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
STM的工作环境
溶液条件
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
C59N单分子整流器
通过将一个单一的 C59N分子放置在双势垒隧道结中间，由单电 子效应及C59N分子特殊的能级结构效应共同实现整流效应，构 成了一个稳定的可重复的单分子整流器。 通常状况下 C59N分子以二聚体形式即（C59N)2存在，在蒸发过 程中，二聚体被破坏，C59N单分子得以沉积到衬底上。 实验中 采用的衬底为金膜表面自组装的高质量单层硫醇膜通过电子束热 蒸发将单分子层的 C59N分子沉积到硫醇膜表面，然后样品很快 被传送到处于5K温度的样品台上，低温导致 C59N 分子被冻结 在吸附位置，不能再次聚合成二聚体。
4.STM的应用
“看见”了以前所看不到的东西
STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨 率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在 零点一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。