文档介绍：第三章扫描隧道显微镜和原子力显微镜
第一节扫描隧道显微镜(STM)
一、电子隧穿效应
经典理论认为:金属中处于费米能级EF以上的自由电子逸出表面,必须获得足以克服金属表面逸出φ功的能量。
量子力学认为:电子波函数ψ向表面传播,遇到边界,一部分被反射(ψR),而另一部分则可透过边界(ψT),从而形成金属表面上的电子云。
当金属1与金属2靠得很近时(<1nm)两金属表柬的电子云将相互渗透——电子隧道效应。
若加上小的电压V(偏压),则形成电流——隧道电流。
图电子隧道效应与隧道电流
(a) 隧道效应, (b) 隧道电流的形成
图 STM的基本原理图
二、扫描隧道显微镜的基本原理
尖锐金属探针在样品表面扫描,利用针尖-样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系,获得原子级样品表面形貌特征图象。
顶部探针
大小:直径约50~100 nm。
材料:通常是金属钨。
针尖与样品表面距离:~ nm,此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时,电子就因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖)。
功能:在其与样品互相作用时,可根据样品性质的不同(如表面原子的几何结构和电子结构)产生变化的隧道电流。
安装:金属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷(Px、Py、Pz)架上,当在压电陶瓷器件上施加一定电压时,由于压电陶瓷器件产生变形,便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描;
控制器是用来控制STM偏压、压电陶瓷扫描电压以及隧道电流设定值,用以保证上述功能的连续变化。
隧道电流I与针尖-样品间偏压Vb、针尖和样品之间距离S、平均功函数之间的关系可表示为:
式中
—针尖与样品间施加的偏压;
—常数,在真空条件下约等于1;
—针尖与样品的平均功函数;
—针尖与样品表面间的距离,~ nm。
隧道电流I对针尖和样品表面间距离的变化是非常敏感的,换句话说,隧道电流对样品表面的微观起伏特别敏感。 nm时,隧道电流将会增加10倍;反之,将减小10倍。
三、扫描隧道显微镜的工作模式
根据针尖与样品间相对运动方式的不同,STM有两种工作模式:恒电流模式(a)和恒高模式(b)。
(a)恒电流模式(b)恒高度模式
图 STM扫描模式示意图
恒电流模式:
扫描时,在偏压不变的情况下,始终保持隧道电流恒定。
当给定偏压,并已知样品-针尖的平均功函数时,隧道电流的大小仅决定于针尖-样品间的距离。
保持隧道电流的恒定可通过电子反馈系统控制针尖和样品间距离来完成。
在压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面进行扫描时,通过从反馈系统中提取它们间距离变化的信息,就可以绘制出样品表面的原子图像。
恒高模式:
始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫描,随样品表面高低起伏,隧道电流不断变化。
通过提取扫描过程中针尖和样品间隧道电流变化的信息(反映出样品表面起伏几何结构特征),就可以得到样品表面的原子图像。
所得到的STM图像不仅勾画出样品表面原子的几何结构,而且还反映了原子的电子结构特征。
STM图像是样品表面原子几何结构和电子结构综合效应的结果。