文档介绍：超高真空扫描隧道显微镜
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引言
原理
超高真空仪器介绍
样品的制备和真空处理
表面重构
的应用研究
邹志强
上海交通大学分析测试中心
STM
•
• STM
• STM
•
•
• STM
一引言
。
年, 瑞士苏黎士实验室的和
研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。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、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用
前景,被公认为年代世界十大科技成就之一。年宾尼
和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖
图图
.
1982 IBM Gerd Binning Heinrich
Rohrer -STM STM
80 1986
1 Gerd Binning 2 Heinrich Rohrer
STM发明前的显微镜
●原子的概念至少可以追溯到一千年前,但在漫长的岁月中原子还只是假设而
并非可观测到的客体。
●人的眼睛不能直接观察到比更小的物体或物质的结构细节,借
助于光学显微镜,使人类的视觉得以延伸,人们可以观察到像细菌、细胞那样小
的物体,但由于光波的衍射效应,使得光学显微镜的分辨率只能达到
可见光的最短波长为。
●电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元,是由德国
在年发明的,电子的波长在电场中加速的波长为
扫描电子显微镜( )的分辨率为,而高分辨透射电子显微镜( )
和扫描透射电子显微镜( )可以达到原子级分辨率,但主要用于薄
层样品的体相和界面研究,且要求特殊的样品制备技术和真空条件。
●场离子显微镜( 年)是一种能直接观察表面原子的研究装置,但只
能探测在半径小于的针尖上的原子结构和二维几何性质,且样品制备复
杂,可用来作为样品的材料也十分有限。
●光衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器,不能给出样品实空间的信息,且
只限于对晶体或周期结构的样品进行研究。
(10-4m)
λ/2, 10-7m
( )
Ruska and
Knoll 1933 λ=h/mν, λ=h/√2meV
SEM 10-9m TEM
STEM
FIM, 1951
100nm
X
黄
德欢纳米技术与应用
STM: Binnig et al. PRL 50,120
Si (111)- 7 x 7 reconstruction, nm x
nm, (a) + V, (b) - V----JEOL,
,
Takayanagi et al. Takayanagi, ,367
Model with dimers, adatoms and stacking
faults, which known as DAS model.
110
112
Faulted Half Unfaulted
Half
(aBba)
(aBbC)
Adatom
10 Å Rest atom
Corner hole
2nd layer
12 adatoms, 6 rest atoms, 19 dangling bonds, 9 dimers, 1corner hole
There is a stacking fault between the second and third layers atoms
a
b
B
a
的特点:
.具有原子级高分辨率, 在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分
别可达和,即可以分辨出单个原子。
.可实时得到实空间样品表面的三维图象,样品可具备或不具
备周期性,可用于表面扩散等动态过程研究。
.可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。可直接观察表面缺陷、重构、吸附体的形态和位置,以及吸附体引
起的表面重构等。
.可在真空、大气、常温等环境下工作,样品甚至可浸在水和溶液中。
不需要特别的制样技术并且对样品无损伤。特别适用于研究生物样品和不
同条件下对样品表面进行评价。可用于研究多相催化机理、超导机制、电
化学反应过程中电极表面变化等。
.配合扫描隧道谱( )可得到表面电子结构的信息,例如表面不同层
次的态密度、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
.利用针尖,可实现对原子和分子的移动和操纵,为纳米科技的全
面发展奠定了基础。
的表面结构
STM
1 STM

2
3
4
5 STS
6 STM