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1、扫描隧道显微镜第1页，本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第2页，本讲稿共37页扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术 任任何何一一项项发发明明都都不不是是凭凭空空产产生生的的，都都是是在在前前面面的的工工作作的的基基础础上上的的进进化化。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜也也不不例例外外。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜是是用用来来检检测测微微观观形形貌貌的的，在在其其发发明明以以前前，就就有有几几种种微微观观形形貌貌检检测测技技术术了了，只只是是分分辨辨率率较较低低。表表面面微微观形形貌貌的的测量，从原理上可以分量，从原理上可以分为两两类：
2、第第一一类是是光光成成像像，包包括括光光折折射射放放大大成成像像和和光光干干涉涉成成像像。光光折折射射放放大大成成像像检测方方法法的的代代表表是是光光学学显微微镜和和透透射射电子子显微微镜；光光干干涉涉成成像像法法的的代代表表是是光光干干涉涉显微微镜和和TOPO移相干涉移相干涉仪。第第二二类是是对试件件表表面面进行行扫描描，逐逐点点检测，从从而而获得得表表面面微微观形形貌貌的的信信息息。这一一类检测方法的代表是表面方法的代表是表面轮廓廓仪和和扫描描电子子显微微镜（SEM）第3页，本讲稿共37页1.1.光学显微镜光学显微镜 光光学学显显微微镜镜是是在在光光学学放放大大镜镜基基础础上上发发明明的的
3、，放放大大镜镜的的物物体体形形貌貌分分辨辨率率可可达达到到0.1mm。1665年年发发明明了了光光学学显显微微镜镜，它它可可将将被被测测物物体体放放大大数数百百倍倍。光光学学显显微微镜镜经经过过多多次次改改进进，现现在在的的放放大大倍倍数数达达到到1250倍倍。如如果果再再采采用用油油浸浸镜镜头头或或用用紫紫外外光光，放放大大倍倍数数还还能能在在提提高高一一些些。光光学学显显微微镜镜使使用用方方便便，应应用用广广泛泛，但但受受光光波波波波长长的的限限制制，放放大大倍倍数数无无法再提高。法再提高。第4页，本讲稿共37页2.透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）TEM出现在20世纪30年代，到5
4、0年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静电或磁透镜代替光学玻璃透镜，最后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高，点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。TEM是通过电子束透过试件而放大成像的，电子束穿透材料的能力不强，故试件必须做得极薄，加工这种极薄的试件有相当难度，故TEM的适用范围有限。第5页，本讲稿共37页3.3.表面轮廓仪表面轮廓仪 用探针对试件表面形貌进行接触测量是
5、一种古老的方法。随着测量技术的提高，现在的测量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖曲率半径在0.05um左右，这就限制了测量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容易划伤试件。一些新式的轮廓仪配备了X、Y双向精密微动工作台，探针在试件表面进行X、Y双向往复扫描，再用计算机处理信息，可以得到表面微观形貌的三维立体图像。这种轮廓仪的检测原理和近代的STM、SPM和AFM极为相似，只是后者使用了更尖锐的探针和更灵敏的探针位移检测方法。第6页，本讲稿共37页4.4.扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEM）SEM从20世纪60年代开始应用以来
6、，使用日渐广泛。它的工作原理是利用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描，激发二次放电，利用二次放电信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。SEM的放大倍率在10-150000范围内连续可调，试件在真空室中可按观察需要进行升降、平移、旋转或倾斜。SEM在普通热钨丝电子枪条件下，分辨率为5-6nm，如用场发射电子枪，分辨率可达2-3nm。SEM的景深很大，对表面起伏很大的形貌也能得到很好的图像。只是放大倍数较低，达不到原子级的分辨率。第7页，本讲稿共37页5.5.场发射形貌描绘仪场发射形貌描绘仪 场发射原理在1956年由R.Young提出，但直到1971年R.Young和
7、J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上，是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上，由反馈电路控制，保持针尖和试件间的距离。R.Young使用的针尖曲率半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，针尖与试件间产生场发射电流。第8页，本讲稿共37页 探针在试件表面扫描，可根据场发射电流的大小，检测出试件表面的形貌。R.Young用形貌描绘仪继续进行研究，发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可产生隧道电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏
8、感。他们观察到的Is和Vb间为线性关系时，估计针尖-试件间的距离为1.2nm。可惜他们的研究到此为止，虽然已经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项重大发明失之交臂，甚为可惜。5.5.场发射形貌描绘仪场发射形貌描绘仪第9页，本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第10页，本讲稿共37页扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 1982 1982年，年，IBMIBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海宾尼和海罗雷尔研制出世界罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（上第一台扫描隧道显微镜（Scanning
9、Tunnelling MicroscopeScanning Tunnelling Microscope，简称，简称STMSTM）STMSTM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2020世纪世纪8080年代世界十大科技成就之一为表彰年代世界十大科技成就之一为表彰STMSTM的发
10、明者们对科学研究所的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，作出的杰出贡献，19861986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金 Gerd BiningHernrich Rohere第11页，本讲稿共37页 在在他他们们的的诺诺贝贝尔尔奖奖讲讲演演中中，很很遗遗憾憾地地谈谈到到，假假如如R.Young（场场发发射射形形貌貌描描绘绘仪仪的的发发明明者者）能能够够及及时时意意识识到到真真空空中中隧隧道道效效应应的的重重要要性性，假假如如他他能能及及时时想想到到缩缩小小针针尖尖与与试试件件表表面面间间的的距距离离，那那么么STM公公布布发发表表时时的的发发明明人人名名
11、字字就就是是R.Young了了。遗遗憾憾的的是是，他他们们没没有有意意识识到到这这一一点点，更更没没有有去去缩缩短短那那一一点点微微不不足足道道的的该该死死的的微微小小距距离离，于于是是他他们们发发明明的的所所谓谓形形貌貌描描绘绘仪仪只只能能永永远远地地在在历历史史上上被被记记载载为为一一种种最最接接近近STM的的显显微微仪仪器器了了。令令人人惋惋惜惜的的还还有有，R.Young还还曾曾认认真真研研究究改改进进他他们们的的仪仪器器，并并试试验验过过一一些些办办法法，但但收收效效甚甚微微。他他曾曾一一度度想想到到了了隧隧道道效效应应，并并还还讨讨论论了了谱谱图图学学方方向向的的应应用用，但但唯唯
12、独独没没有有想想到到应应用用到到他他的的形形貌貌描描绘绘以以上上。仅仅此此一一步没有深入下去，就使他们和一项重大科技发明失之交臂，而空自叹息。步没有深入下去，就使他们和一项重大科技发明失之交臂，而空自叹息。扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明第12页，本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第13页，本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第14页，本讲稿共37页世界上第世界上第1 1台扫描隧道显微镜台扫描隧道显微镜第15页，本讲稿共37页 扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 由由于于STM具具有有极极高高的的空空间间分分辨辨能
13、能力力(平平行行方方向向的的分分辨辨率率为为0.04nm，垂垂直直方方向向的的分分辨辨率率达达到到0.01nm)、它它的的出出现现标标志志着着纳纳米米技技术术研研究究的的一一个个最最重重大大的的转转折折，甚甚至至可可以以说说标标志志着着纳纳米米技技术术研研究究的的正正式式起起步步，因因为为在在此此之之前前人人类类无无法法直直接接观观察察表表面面上上的的原原子子和和分分子子结结构构，使使纳纳米米技技术术的的研研究究无无法深入地进行。法深入地进行。利利用用STM，物物理理学学家家和和化化学学家家可可以以研研究究原原子子之之间间的的微微小小结结合合能能，制制造造人人造造分分子子；生生物物学学家家可可
14、以以研研究究生生物物细细胞胞和和染染色色体体内内的的单单个个蛋蛋白白质质和和DNA分分子子的的结结构构，进进行行分分子子切切割割和和组组装装手手术术；材材料料学学家家可可以以分分析析材材料料的的晶晶格格和和原原子子结结构构考考察察晶晶体体中中原原子子尺尺度度上上的的缺缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。第16页，本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第17页，本讲稿共37页扫描隧道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理 图图是是STM的的基基本本原原理理图图，其其主
15、主要要构构成成有有：顶顶部部直直径径约约为为50100nm的的极极细细金金属属针针尖尖(通通常常是是金金属属钨钨制制的的针针尖尖)，用用于于三三维维扫扫描描的的三三个个相相互互垂垂直直的的压压电电陶陶瓷瓷(Px，Py，Pz)，以以及及用用于于扫扫描描和和电电流流反反馈馈的的控控制制器器(Controller)等。等。第18页，本讲稿共37页STMSTM的工作原理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。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
16、，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。第19页，本讲稿共37页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：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。第20页，本讲稿共37页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。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金
17、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）第21页，本讲稿共37页隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数有关：（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，1和2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）第22页，本讲稿共37页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的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。第23页，本讲稿
18、共37页STM的结构常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。第24页，本讲稿共37页STM的工作方式恒电流模式恒电流模式 恒高度模式恒高度模式第25页，本讲稿共37页恒电流模式恒电流模式 x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道
19、电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。第26页，本讲稿共37页恒高度模式恒高度模式 在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。第27页，本讲稿共37页隧道针尖隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。针尖的宏观结
20、构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。第28页，本讲稿共37页目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。隧道针尖隧道针尖第29页，本讲稿共37页扫描隧道显微镜下图扫描隧
21、道显微镜下图第30页，本讲稿共37页发明发明背景背景1234 新型新型显微镜显微镜STMSTM发明发明工作原工作原理理第31页，本讲稿共37页扫描隧道显微镜的局限性:扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差.扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。在STM基础上发展起
22、来的各种新型显微镜第32页，本讲稿共37页磁力显微镜（MFM）摩擦力显微镜（LFM）静电力显微镜（EFM）弹道电子发射显微术（BEEN）扫描离子电导显微镜（SICN）扫描热显微镜扫描隧道电位仪（STP）光子扫描隧道显微镜（PSTN）扫描近场光学显微镜（SNOM）在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技术的发展提供了很好的技术支持。第33页，本讲稿共37页原子力显微镜（AFM）一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信
23、号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。第34页，本讲稿共37页弹道电子发射显微镜（BEEM）按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时，由于探针的电势场高于样品，探针会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了许多有关界面的信息，因此BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。第35
24、页，本讲稿共37页近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope）将一个同时具有传输激光和接收信号功能的光纤微探针移近样品表面，微探针表面除了尖端部分以外均镀有金属层以防止光信号泄露，探针的尖端未镀金属层的裸露部分用于在微区发射激光和接收信号。当控制光纤探针在样品表面扫描时，探针一方面发射激光在样品表面形成隐失场，另一方面又接收10-100纳米范围内的近场信号。探针接收到的近场信号经光纤传输到光学镜头或数字摄像头进行记录、处理，在逐点还原成图象等信号。近场光学显微镜的其它部分与STM或AFM很相似。第36页，本讲稿共37页The EndThank You！第37页，本讲稿共37页