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掃描隧道電子顯微�
閱讀�5448�(shí)間:2017-11-27 10:12:22

掃描隧道電子顯微�(scanning tunneling microscope,STM)是一種利用量子理論中的隧道效�(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面�(jié)�(gòu)的儀�,利用電子在原子間的量子隧穿效應(yīng),將物質(zhì)表面原子的排列狀�(tài)�(zhuǎn)換為圖像信息�。在量子隧穿效應(yīng)�,原子間距離與隧穿電流關(guān)系相�(yīng)。通過移動(dòng)著的探針與物�(zhì)表面的相互作�,表面與針尖間的隧穿電流反饋出表面某�(gè)原子間電子的躍遷,由此可以確定出物質(zhì)表面的單一原子及它們的排列狀�(tài)�

背景

  透射電子顯微鏡在觀察物�(zhì)的整體結(jié)�(gòu)方面是很有用�,但在表面結(jié)�(gòu)的分析上卻較困難,這是�?yàn)橥干�?子顯微鏡是由高能電透過樣品來獲得信息的,反映的是樣品物�(zhì)的內(nèi)部信息。掃描電子顯微鏡(SEM)雖然能揭示一定的 表面情況,但由于入射電子總具有一定能量,�(huì)穿入樣品�(nèi)�� 因此分析的所謂“表面� 總在一定深� 上,而且分辮率也受到很大限制。場(chǎng)�(fā)射電子顯微鏡(FEM)和場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)雖然能很好地用于表面研究,但是樣品必須特殊制備,只能置于很�(xì)的針尖上,并且樣品還需能承受高�(qiáng)電場(chǎng),這樣就使它的�(yīng)用范圍受 到了限制�
  掃描隧道電子顯微鏡(STM)的工作原理完全不同,它不是通過電子束作用于樣品(如透射和掃描電子顯� � )來獲得�(guān)于樣品物�(zhì)的信�,也不是通過高電�(chǎng)使樣品中的電子獲得大于脫出功的能量而形成的�(fā)射電� 成象(如�(chǎng)�(fā)射電子顯微鏡�,并以此來研究樣品物�(zhì),它是通過探測(cè)樣品表面� 隧道電流來成�,從而對(duì)樣品表面�(jìn)行研��

�(fā)�

  它于1981年由格爾德·賓� (Gerd K.Binnig)及亨利希·羅勒(Heinrich Rohrer)在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實(shí)�(yàn)室發(fā)�,兩位發(fā)明者因此與厄恩斯特·魯什卡分享了1986年諾貝爾物理�(xué)�(jiǎng)。作為一種掃描探針顯微術(shù)工具,掃描隧道顯微鏡可以讓科�(xué)家觀察和定位單�(gè) 原子,它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微頜在低溫下可以利用探針精確操縱原子,因此它在納米科技既是重要的測(cè)量工具又是加工工具�

原理

  掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理,通過探測(cè)固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置�
  由于電子的隧道效�(yīng),金屬中的電子并不完全局限在表面邊界之內(nèi),即電子的密度并不在表面邊界突然降為�,而是在表面以外呈指數(shù)衰減;衰減長(zhǎng)度約� 1nm,它是電子逸出表面�(shì)壘的量度。如果兩塊金屬互相靠得很近,它們的電子云就可能�(fā)生重�;如果在兩金屬間加一微小電壓,那就可以觀察到它們之間的電流(稱為隧道電流)�

工作方式

  盡管掃描隧道電子顯微鏡的�(gòu)型各不相�, 但都包括有下述三�(gè)主要部分:驅(qū)�(dòng)探針相對(duì)于導(dǎo)電試樣表面作三維�(yùn)�(dòng)的機(jī)械系�(tǒng)(鏡體),用于控制和�(jiān)視探針與試樣之間距離的電子系�(tǒng)和把�(cè)得的�(shù)�(jù)�(zhuǎn)換成圖像的顯示系�(tǒng)。它有兩種工作方式:恒流模式、恒高模��
  恒流模式
  利用一套電子反饋線路控制隧道電�,使其保持恒定。再通過�(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃�,即是使針尖� x、y 兩�(gè)方向作二維運(yùn)�(dòng)。由于要控制隧道電流不變,針尖與樣品表面之間的局域高度也�(huì)保持不變,因而針尖就�(huì)隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)�(dòng),高度的信息也就由此反映出來。這就是說,掃描隧道電子顯微鏡得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖像信息全面,顯微圖象質(zhì)量高,應(yīng)用廣��
  恒高模式
  在對(duì)樣品�(jìn)行掃描過程中保持針尖的高度不�;于是針尖與樣品表面的局域距離將�(fā)生變�,隧道電� I 的大小也隨著�(fā)生變�;通過�(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化,并轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)顯示出來�,即得到了掃描隧道電子顯微鏡顯微圖。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一�

�(yīng)�

  隧道顯微鏡的原理是巧妙地利用了物理學(xué)上的隧道效應(yīng)及隧道電�。金屬體�(nèi)存在大量"自由"電子,這些"自由"電子在金屬體�(nèi)的能量分布集中于�(fèi)米能�(jí)附近,而在金屬邊界上則存在一�(gè)能量比費(fèi)米能�(jí)高的�(shì)壘。因�,從�(jīng)典物理學(xué)來看,在金屬�(nèi)�"自由"電子,只有能量高于邊界勢(shì)壘的那些電子才有可能從金屬內(nèi)部逸出到外�。但根據(jù)量子力學(xué)原理,金屬中的自由電子還具有波動(dòng)�,這種電子波在向金屬邊界傳播而遇到表面勢(shì)壘時(shí),會(huì)有一部分透射。也就是�,會(huì)有部分能量低于表面勢(shì)壘的電子能夠穿透金屬表面勢(shì)�,形成金屬表面上�"電子�"。這種效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。所�,當(dāng)兩種金屬靠得很近�(shí)(幾納米以下�,兩種金屬的電子云將互相滲透。當(dāng)加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí),即使兩種金屬并未真正接�,也�(huì)有電流由一種金屬流向另一種金�,這種電流稱為隧道電流�
  隧道電流和隧道電阻隨隧道間隙的變化非常敏感,隧道間隙即使只發(fā)�0.01nm的變�,也能引起隧道電流的顯著變化�
  如果用一根很尖的探針(如鎢針)在距離該光滑樣品表面上十分之幾納米的高度上平行于表面在x,y方向掃描,由于每�(gè)原子有一定大�,因而在掃描過程中隧道間隙就�(huì)隨x,y的不同而不�,流過探針的隧道電流也不�。即使是百分之幾納米的高度變化也能在隧道電流上反映出�。利用一�(tái)與掃描探針同步的記錄儀,將隧道電流的變化記錄下�,即可得到分辨本�(lǐng)為百分之幾納米的掃描隧道電子顯微鏡圖像�

展望

  掃描隧道電子顯微鏡的出現(xiàn)為人類認(rèn)�(shí)和改造微觀世界提供了一�(gè)極其重要的新型工�。隨著實(shí)�(yàn)技�(shù)的不斷完�,STM 將在單原子操縱和納米技�(shù)等諸多研究領(lǐng)域中得到越來越廣泛的�(yīng)用。STM� SEM 的結(jié)合在納米技�(shù)中的�(yīng)用必將極大地促�(jìn)納米技�(shù)不斷�(fā)�??深A(yù)言,在未來科�(xué)的發(fā)展中,STM � SEM 的結(jié)合將滲透到表面科學(xué)、材料科�(xué)、生命科�(xué)等各�(gè)科學(xué)技�(shù)�(lǐng)域中�

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