納米材料的表征方法之STM和AF

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1、第二章納米材料的表征方法之STM和AFM掃描隧道顯微鏡（STM）（一）STM（ScanningTunnelingMicroscopy）發(fā)明者：Dr.G.Binning,Dr.H.RohrerIBM蘇黎世實驗室，1978年開始，1982年，獲得CaIrSn4單晶單原子臺階像1983年，獲得第一張，Si(111)-7?7表面重構(gòu)像1986年，兩位博士與E.Ruska一起，獲Nobel物理學(xué)獎實驗條件：非常廣泛氣氛：大氣、真空、溶液、惰性氣體、反應(yīng)性氣體溫度：絕對零度到攝氏數(shù)百度STM（二）STM的應(yīng)用：表面結(jié)構(gòu)觀測

2、：原子級空間分辨率，表面物理和化學(xué)過程，生物體系。納米結(jié)構(gòu)加工：操縱原子和分子，制備納米尺度的超微結(jié)構(gòu)。STM（三）-原理：隧道效應(yīng)經(jīng)典力學(xué)：當(dāng)粒子的能量低于勢壘高度時，粒子被束縛，無法穿越勢壘（穿越的幾率為零）。量子力學(xué)：低能量粒子穿越勢壘的束縛，出現(xiàn)在勢壘之外幾率大于零；微觀粒子波動性的表現(xiàn)隧道效應(yīng)顯著出現(xiàn)的條件：勢壘寬度與微觀粒子的德布羅意波長相當(dāng)。遂穿過程遵守能量守恒和動量（或準(zhǔn)動量）守恒定律。STM（四）-隧道效應(yīng)一維的金屬-真空-金屬隧道結(jié)金屬-真空-金屬隧道結(jié)模型：金屬之一代表STM的針尖，另一代

3、表被測樣品，簡化假設(shè)：針尖和樣品的逸出功相同（?）STM（五）-隧道電流以上圖的金屬-真空-金屬系統(tǒng)為例，在偏壓V的條件下，隧道電流近似為：I?V?s(0,EF)e-1.02?-1/2?為金屬逸出功，?4eV?s(0,EF)為樣品表面EF處的局域態(tài)密度衰減系數(shù)為0.51?-1/2?1埃-1電流的衰減速度，每埃約為e2倍（7.4倍），非常快。這是STM高的空間分辨率（原子級）的物理起因。STM（六）-工作原理針尖和樣品的距離在1nm左右或更小恒高模式：高度不變，記錄隧道電流，通過電流大小反應(yīng)高度變化。限制：對樣品

4、表面要求很高。恒電流模式：遂道電流不變，記錄針尖的上下運動軌跡。STM（七）-系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、特點：近場成像2、精度控制:極其嚴(yán)格。高度：0.01挨水平：0.1埃3、壓電陶瓷器件：1mV-1000V電壓產(chǎn)生0.1nm到數(shù)um的位移。3、控制熱漂移STM（七）-實驗方法原子級的超高空間分辨能力：實現(xiàn)關(guān)鍵是STM針尖的幾何形狀。STM針尖狀況：存在一定的不確定性，針尖偶然出現(xiàn)原子或原子簇的突起，獲得可重復(fù)的圖像仍是目前的首要問題。常用針尖材料：Pt-Ir（鉑銥）針尖，W針尖針尖原子的電子態(tài)：d電子態(tài)比s電子態(tài)分辨率高S

5、TM（八）-實驗方法樣品制備：比較簡單，適用于各種導(dǎo)電樣品，或者將有機、生物、顆粒狀物質(zhì)固定在導(dǎo)電基底上。金屬樣品：避免環(huán)境中的污染物質(zhì)，超高真空STM。半金屬：石墨、過渡金屬二硫化物、三硫化物。取新鮮表面既可。半導(dǎo)體：同金屬物質(zhì)，超高真空STM。絕緣體：先沉積金膜STM（九）-圖像解釋圖像信息：隧道電流?樣品表面費米能級附近的局域態(tài)密度?樣品表面的局域電子結(jié)構(gòu)和遂穿勢壘的空間變化。與原子核位置，即原子的高低沒有直接關(guān)系。另外：STM針尖也有影響，即其電子結(jié)構(gòu)影響了成像結(jié)果。圖像起伏并不直接反映表面原子核的位置

6、STM（十）-圖像解釋不同偏壓下，反映了樣品表面不同波函數(shù)的起伏，反映費米能級以上、或者以下的表面電子結(jié)構(gòu)。圖A：樣品流向針尖，Si=Si二聚原子的最高占據(jù)軌道（?鍵）成像，反映了?軌道的空間分布。圖B：針尖流向樣品。Si=Si二聚原子的最低未占據(jù)軌道（??）成像。STM（十一）-圖像解釋針尖電子態(tài)的影響樣品電子態(tài)和針尖電子態(tài)的卷積決定了隧道電流。因此，STM圖像由樣品表面和針尖兩者的局域電子態(tài)決定。STM成像的倒易原理：針尖和樣品之間是微觀對稱的，兩者之間的電子發(fā)生相互作用，并進(jìn)行交換?；蛘哂冕樇鈶B(tài)來探測樣品

7、態(tài)，或者用樣品態(tài)來探測針尖態(tài)STM應(yīng)用（十二）-表面結(jié)構(gòu)觀測STM應(yīng)用（十三）-表面化學(xué)反應(yīng)可原位研究表面上發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)。原位探針研究表面電化學(xué)過程（溶液條件）?？刂凭钟螂姵练e制備納米結(jié)構(gòu)圖形。STM應(yīng)用（十四）-表面化學(xué)反應(yīng)STM應(yīng)用（十五）-信息存儲熱化學(xué)燒孔技術(shù)：STM隧道電流的焦耳熱效應(yīng)，誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物發(fā)生局部熱化學(xué)反應(yīng)。TEA：三乙胺，沸點89度。超高密度：面密度約1012bits/cm2問題：存取速度太慢。原子力顯微鏡（AFM）（一）STM的局限性：利用隧道電流研究表面電子結(jié)構(gòu)和形貌。必須

8、保證有足夠的隧道電流。因此，無法用來觀測絕緣體或者有厚表面氧化層的樣品。AFM（AtominForceMicroscope）發(fā)明者：Dr.Quate,Dr.Gerber,StandfordUniv.1986年1987年，獲得高序熱解石墨（HOPG）1987年，獲得高序氮化硼（HOPBN）表面的高分辨原子圖像。實驗條件：非常廣泛氣氛：大氣、真空、溶液、惰性氣體、反應(yīng)性氣體溫度：絕對零度到