顯微鏡的stm原理與afm基本原理介紹

1、顯微鏡的顯微鏡的STMSTM原理與原理與AFMAFM基本原理介紹基本原理介紹STMSTM概述概述1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事們共同研制成功了世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡(jiǎn)稱STM)。STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)，研究與表面電子行為有關(guān)的物理和化學(xué)性質(zhì)，在

2、表面科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究中具有重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM是繼高分辨透射電子顯微鏡，場(chǎng)離子顯微鏡之后，第三種在原子尺度觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微鏡，其分辨率在水平方向可達(dá)0.1nm，垂直方向可達(dá)0.01nm，它的出現(xiàn)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的一個(gè)最重大的轉(zhuǎn)折，甚至可以標(biāo)志著納米技術(shù)研究的正式起步，這

3、是因?yàn)镾TM具有原子和納米尺度的分析和加工的能力。使用STM，在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，可用于研究原子之間的微小結(jié)合能，制造人造分子；在生物學(xué)領(lǐng)域，可用于研究生物細(xì)胞和染色體內(nèi)的單個(gè)蛋白質(zhì)和DNA分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子切割和組裝手術(shù)；在材料學(xué)領(lǐng)域，可以用于分析材料的晶格和原子結(jié)構(gòu)，考察晶體中原子尺度上的缺陷；在微電子領(lǐng)域，則可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。STMSTM的工作原理的工作原理STM是利用量子隧道效應(yīng)工作的。若以金屬針尖為一電

4、極，被測(cè)固體樣品為另一電極，當(dāng)他們之間的距離小到1nm左右時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)隧道效應(yīng)，電子從一個(gè)電極穿過(guò)空間勢(shì)壘到達(dá)另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓；k：常數(shù)，約等于1，Φ12：平均功函數(shù)，S：距離。從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負(fù)指數(shù)關(guān)系。對(duì)于間距的變化非常敏感。因此，當(dāng)針尖在被測(cè)樣品表面做平面掃描時(shí)，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會(huì)導(dǎo)致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數(shù)量級(jí)的變化。這樣就可以通過(guò)測(cè)量電流的變化來(lái)反應(yīng)表面上原子尺

5、度的起伏，如下圖右邊所示。這就是STM的基本工作原理，這種運(yùn)行模式稱為恒高模式（保持針尖高度恒定）。STM還有另外一種工作模式，稱為恒流模式，如下圖左邊。此時(shí)，針尖掃描過(guò)程中，通過(guò)電子反饋回路保持隧道電流不變。為維持恒定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動(dòng)，從而記錄下針尖上下運(yùn)動(dòng)的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式僅適于對(duì)表面起伏不大的樣品進(jìn)行成像。當(dāng)樣品表面起伏較大時(shí)，由于針尖離樣品表面非常近，采

6、用恒高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導(dǎo)致針尖與樣品表面的破壞。原子力顯微鏡工作原理圖AFM有多種操作模式，常用的有以下4種：接觸模式（ContactMode）、非接觸（NonContactMode）、輕敲模式(TappingMode)、側(cè)向力(LateralFceMode)模式。根據(jù)樣品表面不同的結(jié)構(gòu)特征和材料的特性以及不同的研究需要，選擇合適的操作模式。AFM三種操作模式的比較接觸模式接觸模式在接觸模式中，針尖始終與樣品保持輕微