文档介绍：赤峰学院
毕业设计
题目扫描隧道显微镜(STM)
学生姓名
学号 07131300203
院系物理与电子信息工程系
专业应用物理
指导教师
二0一一年四月二十九日
目录
摘要与关键词……………………………………………………………………2
引言………………………………………………………………………………2
STM的工作原理…………………………………………………………………3
STM的工作模式…………………………………………………………………4
基于STM分析石墨样品表面图像………………………………………………5
基于STM测量石墨原子的大小…………………………………………………9
结论………………………………………………………………………………10
扫描隧道显微镜(STM)
张
赤峰学院物理与电子信息工程系赤峰 024000
摘要与关键字
摘要:扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是基于量子力学的隧道效应,它的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。本文中我们可以通过STM对石墨样品进行扫描,初步分析石墨样品的表面微观结构,验证石墨表层六角环形结构,为进一步研究石墨烯打好基础。
关键字:扫描隧道显微镜,隧道效应,六角环形结构,石墨烯。
1982年,IBM瑞士苏黎士实验室研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope,简称STM).STM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,被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一.
我们知道,常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。而石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜,石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质,它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣,甚至还可以用来制造“太空电梯”缆线。另外,石墨烯还是目前已知导电性能最出色的材料。众所周知,高频电路是现代电子工业的领头羊,一些电子设备,例如手机,由于工程师们正在设法将越来越多的信息填充在信号中,它们被要求使用越来越高的频率,然而手机的工作频率越高,热量损耗也越高,于是,高频的提升便受到很大的限制。并且,由于电子和原子的碰撞,传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量,目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能,而石墨烯则不同,它的电子能量不会被损耗。因此,它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。
本文主要通过STM初步研究石墨样品的表面微观结构,为进一步研究石墨烯的微观结构打好基础。
微观粒子运动规律遵从量子力学原理,由于微观粒子具有波粒二象性。其运动特征有别于经典粒子,如具有一定能量的粒子沿x轴正方向射向势垒
(1)
式中:a为势垒的宽度;U0是势垒的高度。按照经典力学的观点,若,则粒子不能进入势垒,将被弹回去;若,则粒子将穿过势垒但从量子力学观点来看,考虑到粒子的波动性此问题与波碰到一层厚度为的介质相似,即有一部分波透过,一部分波被反弹回去。因此,按照波函数的统计诠释,无论粒子能量,或,都有一定概率穿透势垒,也有一定概率被反射回去。
考虑情况,在势垒外能量本征方程表示方程为:
(,) (2)
它的两个线性无关解可取为,,能级为二重简并,但我们可以根据入射边条件来定解。以下假设粒子是从左入射。由于势垒的存在,在区域中,既有入射波,也有反射波R,即;而在区域中则只有透射波S,即。
在势垒内部能量本征方程为:
() (3)
其通解可取为:,。
联立各式可解得:
, (4)
(5)
可以看出:
(6)
其中表示粒子被势垒反弹回去的概率,表示粒子透过势垒的概率。式(6)正是概率守恒的表现。由此证明,即使,在一般情况下,透射系数并不为零。这种粒子能穿透比它动能更高的势垒的现象,称为隧道效应。
正是由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限于表面边界之内。即,电子密度并不在表面边界突然降为零,而是在表面以外呈指数衰减。衰减长度约为10,它是电子逸出表面势垒的量度。如果探针和待测样品互相靠得很近,那么,它们表面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加一微小电压,那就可以观察到它们之间的电流(隧道电流)。
∝(7)
式中A为常数S为两金属间距离,为样品表面的平均势垒高度。如果S为1为单位,则A=1,的量级为eV,因此,当S变化1