扫描隧道显微镜浅谈
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扫描隧道显微镜原理与制备技术介绍扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM)是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜,用于观察固体表面的原子及分子结构。
本文将详细介绍扫描隧道显微镜的原理和制备技术。
扫描隧道显微镜通过利用尖端和样品表面之间的量子隧道效应,实现对表面形貌和电子结构的观察。
其原理可以简单描述为:在一个真空中,尖端电极和样品表面之间加上一个微小的直流电压,当尖端和样品非常接近时(约 1 nm),由于量子隧道效应的存在,电子会从尖端隧道穿过真空障垒,进入样品表面或从样品表面进入尖端。
通过测量电流的强度和偏置电压的变化,就可以对表面的电子结构和拓扑形貌进行分析和显微观察。
扫描隧道显微镜的制备技术涉及到多个方面,包括尖端制备、样品制备和探测系统的搭建。
首先,尖端制备是制备扫描隧道显微镜不可或缺的一步。
常用的方法有机械断裂法和电化学腐蚀法。
机械断裂法是将一根金属丝折断,使其末端形成尖端结构,常用的金属有铂铱合金。
电化学腐蚀法则是通过在电解液中腐蚀尖端材料来制备尖端。
这两种方法制备出的尖端直径一般为1-10纳米,且需要在真空条件下进行。
其次,样品的制备也是扫描隧道显微镜研究中的重要步骤。
制备样品需要考虑到其几何形状和电导特性。
通常,我们可以使用化学气相沉积、物理气相沉积、溅射沉积等方法制备样品。
这些方法可以制备出晶体、薄膜和纳米颗粒等不同形式的样品。
最后,搭建扫描隧道显微镜的探测系统是整个研究的核心。
探测系统主要包括扫描器、样品台和信号采集与处理系统。
扫描器用于控制尖端在样品表面的位置,实现对样品进行扫描。
样品台则用于固定样品并提供电流给样品。
信号采集与处理系统用于测量和处理电流信号,并通过计算机进行数据的可视化和分析。
总结起来,扫描隧道显微镜的原理是基于量子隧道效应,利用电流强度和偏置电压的变化来观察固体表面的原子和分子结构。
其制备技术包括尖端制备、样品制备和探测系统搭建。
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜(STM)的工作原理是基于量子力学的隧穿效应,利用一根金属针尖作为探针,与样品表面形成两个电极。
当针尖与样品表面的距离非常接近(通常小于1nm)时,电子云重叠,并在它们之间施加电压,此时电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,形成隧道电流。
隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系,因此当针尖沿物质表面扫描时,由于表面原子凹凸不平,使探针与物质表面间的距离不断改变,从而导致隧道电流不断变化。
这种电流变化反映了样品表面的原子级凹凸形态,将电流的这种变化图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。
扫描隧道显微镜具有超高的分辨率,横向分辨率达0.1nm,纵向分辨率达0.01nm,使人类第一次在实空间观测到样品表面的原子排布状态。
它对表面科学、纳米科学、生物医学等科学技术的研究和发展具有里程碑式的意义,被公认为上世纪八十年代世界十大科技成就之一。
扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。
它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。
STM具有非常高的分辨率,能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵,因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。
隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。
在STM中,金属探头和样品之间形成一个电势差,并使用一个反馈电路来保持电流恒定。
隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。
探头与样品之间的距离非常小,约为几个纳米,隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。
当探头在样品表面上移动时,由于样品表面具有不同的高度和电性特征,因此隧穿电流的大小也会发生变化。
这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息,然后通过计算机处理并呈现出来。
样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。
二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域,如表征材料表面和分析材料电子结构等。
在纳米材料研究中,STM可以检测材料中的特定原子和分子,并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。
B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。
它可以研究各种表面效应,例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。
此外,STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。
C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。
纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。
通过STM可以定量地观察单个原子和分子,这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。
D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。
在生物领域,STM可用于研究DNA分子的结构和功能,以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。
E.电子学STM还可以用作电子学中的电极,例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。
扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜(STM)是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜,它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。
STM是一种非常重要的显微镜,它可以在原子尺度上观察表面的原子结构,被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。
扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。
当一个尖端探针靠近样品表面时,尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。
这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关,当探针移动时,电流的大小也会发生变化。
通过测量这个隧穿电流的变化,可以得到样品表面的拓扑结构信息。
在STM中,尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上,可以在样品表面来回扫描。
当探针靠近样品表面时,由于隧穿效应,会产生隧穿电流。
探针和样品之间的距离非常小,通常在纳米尺度,这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。
通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小,可以得到样品表面的原子结构信息。
扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为,首先,将尖端探针放置在样品表面附近,然后通过控制尖端探针的位置,使其在样品表面上来回扫描。
在扫描的过程中,测量隧穿电流的大小,并将这些数据转换成图像,就可以得到样品表面的拓扑结构信息。
通过对这些图像的分析,可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。
扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力,可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用,可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。
同时,随着技术的不断进步,STM的分辨率和稳定性也在不断提高,为科学研究提供了强大的工具。
总之,扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜,利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它具有高分辨率、原子尺度的观测能力,被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
扫描隧道显微镜浅谈摘要:本文简要概述了扫描隧道显微镜的工作原理及其结构组成,并对比说明了其工作模式,及扫描隧道显微镜的优缺点,同时,对其具体应用领域也作了简要介绍。
关键词扫描隧道显微镜原理应用1 扫描隧道显微镜概述扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”,是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它于1981年由格尔德•宾宁(G.Binning)及海因里希•罗雷尔(H.Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,两位发明者因此与恩斯特•鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜scanning tunneling microscope 缩写为STM。
它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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。
2 扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
就如同一根唱针扫过一张唱片,一根探针慢慢地通过要被分析的材料(针尖极为尖锐,仅仅由一个原子组成)。
一个小小的电荷被放置在探针上,一股电流从探针流出,通过整个材料,到底层表面。
当探针通过单个的原子,流过探针的电流量便有所不同,这些变化被记录下来。
电流在流过一个原子的时候有涨有落,如此便极其细致地探出它的轮廓。
在许多的流通后,通过绘出电流量的波动,人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
3 扫描隧道显微镜基本组成及结构STM包括隧道针尖、三维扫描控制器、减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分,各部分的关系如下图所示:仪器基本构成示意图3.1 隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。
扫描隧道显微镜(STM)的原理及其在纳米材料研究中的应用引言透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的,但在表面结构的分析上却较困难,这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的,反映的是样品物质的内部信息。
扫描电子显微镜(SEM)虽然能揭示一定的表面情况,但由于入射电子总具有一定能量,会穿入样品内部,因此分析的所谓“表面”总在一定深度上,而且分辨率也受到很大限制。
场发射电子显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)虽然能很好地用于表面研究,但是样品必须特殊制备,只能置于很细的针尖上,并且样品还需能承受高强电场,这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜(STM)的工作原理完全不同,它不是通过电子束作用于样品(如透射和扫描电子显微镜)来获得关于样品物质的信息,也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成像(如场发射电子显微镜),并以此来研究样品物质,它是通过探测样品表面的隧道电流来成象,从而对样品表面进行研究。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率,通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米,在垂直于表面的方向可达0.01纳米,此外,STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像;可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是整个表面的平均性质;配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息,例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜,使探针显微镜技术日趋完善,并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
关键词:扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料一、扫描隧道显微镜的介绍扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope,STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应,将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
扫描隧道显微镜原理与工作方式解析扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,缩写为STM)是一种由Ernst Ruska和Gerd Binnig等科学家于1981年共同发明的一种高分辨率显微镜。
它是一种利用量子力学效应进行成像的工具,能够达到原子尺度的分辨率。
本文将解析扫描隧道显微镜的原理和工作方式。
扫描隧道显微镜的原理基于隧道效应,即电子通过微小的空隙隧道传输的现象。
根据量子力学的隧道效应理论,当微小的尖端与样品表面极为接近时,电子可以通过锐利的尖端与样品间的真空间隙隧道传输。
扫描隧道显微镜利用这一原理,通过探针的运动来扫描样品表面,同时测量隧道电流的强度,从而形成显微图像。
扫描隧道显微镜的主要组成部分包括探针、探针悬臂、扫描系统和信号检测系统。
探针是扫描隧道显微镜的核心部件,由一根非常尖锐的金属探针组成,通常使用铂铱合金或钨材料制成。
探针悬臂用于固定和调节探针位置,以确保其稳定性和精确度。
扫描系统用于控制探针在样品表面上的运动路径,包括横向和纵向扫描。
信号检测系统用于测量隧道电流的强度,并将其转化为可视化的显微图像。
当扫描隧道显微镜开始工作时,探针悬臂将探针带至样品表面上的感兴趣区域,使其离样品表面非常接近,通常在纳米米的范围内。
然后,应用一个微小的电压差,使得探针与样品之间形成隧道电流。
这种隧道电流的大小与探针与样品之间的距离和表面的电子状态有关。
随着探针在样品表面上的扫描运动,隧道电流的强度也会发生变化。
为了生成显微图像,扫描系统通过电子信号的调节来控制探针的扫描轨迹。
通常采用的是锁定模式,即通过调整探针的位置,使得隧道电流保持在一个恒定的值,从而保持探针与样品的恒定间距。
同时,扫描系统将探针在样品表面上的运动轨迹记录下来,并将其转化为显微图像。
在信号检测系统中,隧道电流的强度被检测并放大。
然后,该信号被转化为显微图像,并通过计算机显示在监视器上。
显微图像能够清晰地显示出样品表面的各种特征,包括原子、分子和局部缺陷等。
扫描探针显微镜(SPM )原理一、 描隧道显微镜STM 原理扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
对于经典物理学来说,当一个粒子的动能E 低于前方势垒的高度0V 时,他不可能越过此势垒,即透射系数等于零,粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算,在一般情况下,其透射系数不等于零,也就是说,粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1),这个现象称为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的,只有在一定的条件下,隧道效应才会显著。
经计算,透射系数T 为:由式(1)可见,T 与势垒宽度a ,能量差)(0E V -以及粒子的质量m 有着很敏感的关系。
随着势垒厚(宽)度a 的 增加,T 将指数衰减,因此在一般的宏观实验中,很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时,在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
隧道电流I 是电子波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离S 以及平均功函数Φ有关:式中b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数)(222000)(16E V m a e V E V E T ---≈ )2()exp(21S A V I b Φ-∝)1()(2121Φ+Φ=Φ,1Φ和2Φ分别为针尖和样品的功函数,A 为常数,在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1nm 的细金属丝,如钨丝、铂-铱丝等,被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
由式(2)可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系,当距离减小0.1nm ,隧道电流即增加约一个数量级。
因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对x ,y 方向进行扫描,就可以直接得到三维的样品表面形貌图,这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
扫描隧道显微镜的原理与应用扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)是一种先进的纳米尺度观测仪器,在材料科学、物理学和生物学等领域发挥着重要作用。
它能够通过扫描样品表面的原子尺度特征,为科学家提供关于材料结构和性质的丰富信息。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的工作原理基于量子力学中的隧穿效应。
该效应是指当探针尖端与样品表面保持极近距离时,探针尖端的电子可以透过空气或真空在样品表面和尖端之间产生电子隧穿现象。
探针尖端带有很小的直流电压,通过测量隧穿电流的变化,可以得到样品表面的拓扑信息。
二、扫描隧道显微镜的构造扫描隧道显微镜通常由五个主要部分组成:探针、扫描系统、反馈系统、信号检测系统和显像系统。
探针是连接样品和探针部分的关键部件,它具有尖端半导体材料的尖形结构。
扫描系统负责探针在样品表面进行扫描运动,以获得样品表面的图像。
反馈系统监测隧穿电流的变化,并控制探针与样品的距离,使得电流保持在恒定的水平。
信号检测系统将测得的电流信号转化为可视化的图像信号。
显像系统将图像信号输出到显示器上,供研究人员观察和分析。
三、扫描隧道显微镜的应用1. 表面拓扑图像成像扫描隧道显微镜能够显示样品表面的原子级拓扑结构,揭示材料表面的缺陷、晶格等特征。
这对于材料科学家来说非常重要,可以帮助他们理解材料的物理、化学性质,并指导新材料的设计和合成。
2. 研究表面反应动力学通过在扫描隧道显微镜下加热样品或在样品表面引入化学反应物,科学家可以观察到反应动力学的实时变化,研究反应速率、中间体的形成和消失等。
这些研究对于理解催化反应、表面化学过程以及生物分子的相互作用机制具有重要意义。
3. 生命科学研究扫描隧道显微镜在生命科学领域的应用越来越广泛。
它可以用于研究生物大分子的结构和功能,如蛋白质、DNA等。
同时,STM还可以观察活细胞的表面形貌,追踪细胞生长和分裂过程,为生物学家提供有关细胞行为和生物分子的丰富信息。
扫描隧道显微镜的原理及应用随着科技的发展,我们能够看到越来越微小的物质,这对于人类研究新材料、新技术具有重要意义。
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope, STM)就是一种现代的纳米尺度下的表征手段,它可以帮助我们观察和理解物质的微观结构和性质。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其在物理、化学、材料科学等领域的应用。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是李世英和麦克米伦在1981年研究成功的,其核心部件是一个微小的探针。
探针由单一原子尖端构成,其直径只有1至2纳米(nm),比人类头发直径还要小上百倍。
这种探针可以通过微操纵控制在样品表面上移动,同时通过传感器和计算机生成高分辨率三维图像。
扫描隧道显微镜的原理是利用量子力学隧穿效应实现的。
隧穿效应是指电子在固体间距很小的几个原子距离时,能够从一侧隧穿到另一侧。
在扫描隧道显微镜中,探针与样品表面间存在微小的空隙,当给探针和样品表面施加微小的电压后,电子就能够通过隧穿现象发生电流。
通过控制电压,可以使电子在探针和样品表面间的空隙穿透,形成扫描隧道电流。
在扫描探针不断移动和测量的过程中,计算机通过处理隧道电流数据,生成出可视化的高分辨率三维图像。
二、扫描隧道显微镜在各领域的应用扫描隧道显微镜在物理、化学、材料科学等领域的应用非常广泛。
下面介绍其中一些代表性的应用场景。
1. 材料科学材料科学研究主要关注材料的微观结构和性质,扫描隧道显微镜正是一种极其精准的工具。
通过扫描隧道显微镜,我们可以观察到材料表面的原子排列和晶格结构,更深层次的研究则可以揭示材料各种性质的起源。
2. 生物医学扫描隧道显微镜也可以用于细胞和生物标本的观察。
扫描隧道显微镜具有高分辨率的特点,可以直接观察到细胞表面的特征,甚至可以观察到生物分子的结构。
3. 量子计算机扫描隧道显微镜也可以用于制造量子计算机中的关键部件,特别是在制造原子的量子比特时。
借助扫描隧道显微镜来精确获取原子位置的信息,可以为量子计算机的制造提供支持。
扫描隧道显微镜浅谈摘要:本文简要概述了扫描隧道显微镜的工作原理及其结构组成,并对比说明了其工作模式,及扫描隧道显微镜的优缺点,同时,对其具体应用领域也作了简要介绍。
关键词扫描隧道显微镜原理应用1 扫描隧道显微镜概述扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”,是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。
它于1981年由格尔德•宾宁(G.Binning)及海因里希•罗雷尔(H.Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,两位发明者因此与恩斯特•鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜scanning tunneling microscope 缩写为STM。
它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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。
2 扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
就如同一根唱针扫过一张唱片,一根探针慢慢地通过要被分析的材料(针尖极为尖锐,仅仅由一个原子组成)。
一个小小的电荷被放置在探针上,一股电流从探针流出,通过整个材料,到底层表面。
当探针通过单个的原子,流过探针的电流量便有所不同,这些变化被记录下来。
电流在流过一个原子的时候有涨有落,如此便极其细致地探出它的轮廓。
在许多的流通后,通过绘出电流量的波动,人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
3 扫描隧道显微镜基本组成及结构STM包括隧道针尖、三维扫描控制器、减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分,各部分的关系如下图所示:仪器基本构成示意图3.1 隧道针尖隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。
针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状,而且也影响着测定的电子态。
针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率,从而可以减少相位滞后,提高采集速度。
如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖,那么隧道电流就会很稳定,而且能够获得原子级分辨的图象。
针尖的化学纯度高,就不会涉及系列势垒。
例如,针尖表面若有氧化层,则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值,从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前,二者就发生碰撞[2]。
目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。
制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂- 铱合金丝等。
钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。
而铂- 铱合金针尖则多用机械成型法,一般直接用剪刀剪切而成。
不论哪一种针尖,其表面往往覆盖着一层氧化层,或吸附一定的杂质,这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。
因此,每次实验前,都要对针尖进行处理,一般用化学法清洗,去除表面的氧化层及杂质,保证针尖具有良好的导电性[2]。
3.2 三维扫描控制器由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描,用普通机械的控制是很难达到这一要求的。
目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。
压电陶瓷利用了压电现象。
所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场,或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。
许多化合物的单晶,如石英等都具有压电性质,但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料,例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。
压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移[2]。
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种①三脚架型,由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起,针尖放在三脚架的顶端,三条腿独立地伸展与收缩,使针尖沿x-y-z三个方向运动。
②单管型,陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份,内壁为一整体电极,在其中一块电极上施加电压,管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定),导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。
通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂直移动。
在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。
管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀,相对的另一侧收缩,增加扫描范围,亦可以加上直流偏置电压,用于调节扫描区域。
③十字架配合单管型,z方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成,x和y扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上。
这种结构的x-y扫描单元是一种互补结构,可以在一定程度上补偿热漂移的影响。
除了使用压电陶瓷,还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。
3.3 减震系统由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm,同时隧道电流与隧道间隙成指数关系,因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。
必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击,其中震动隔绝是最主要的。
隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手[2]。
3.4 电子学控制系统扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统,因此,电子学控制系统也是一个重要的部分。
扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动,使探针逼近样品,进入隧道区,而后要不断采集隧道电流,在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较,再通过反馈系统控制探针的进与退,从而保持隧道电流的稳定。
所有这些功能,都是通过电子学控制系统来实现的。
图1给出了扫描隧道显微镜电子学控制控制系统的框图[2]。
3.5 在线扫描控制和离线数据处理软件在扫描隧道显微镜的软件控制系统中,计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。
在线扫描控制①参数设置功能在扫描隧道显微镜实验中,计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节,以及获得、显示并记录扫描所得数据图象等。
计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。
在线扫描控制中一些参数的设置功能如下:⑴“电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流,也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。
该数值设定越大,这一恒定距离也越小。
测量时“电流设定”一般在“0.5-1.0nA”范围内。
⑵“针尖偏压”是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。
这一数值设定越大,针尖和样品之间越容易产生隧道电流,恒电流模式中保持的恒定距离越小,恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。
“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV”范围左右。
⑶“Z电压”是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的真实电压。
Z电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态,随着扫描的进行,这一数值要发生变化。
“Z电压”在探针远离样品时的初始值一般设定在“-150.0mV—-200.0mV”左右。
⑷“采集目标”包括“高度”和“隧道电流”两个选项,选择扫描时采集的是样品表面高度变化的信息还是隧道电流变化的信息。
⑸“输出方式”决定了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线。
⑹“扫描速度”可以控制探针扫描时的延迟时间,该值越小,扫描越快。
⑺“角度走向”是指探针水平移动的偏转方向,改变角度的数值,会使扫描得到的图象发生旋转。
⑻“尺寸”是设置探针扫描区域的大小,其调节的最大值有量程决定。
尺寸越小,扫描的精度也越高,改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。
⑼“中心偏移”是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移距离,改变中心偏移的数值能使针尖发生微小尺度的偏移。
中心偏移的最大偏移量是当前量程决定的最大尺寸。
⑽“工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。
⑾“斜面校正”是指探针沿着倾斜的样品表面扫描时所做的软件校正。
⑿“往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。
⒀“量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。
这些参数的设置除了利用在线扫描软件外,利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调节这些参数。
②马达控制当使用软件控制马达使针尖逼近样品时,首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态,否则探头部分只受电子学控制系统控制,计算机软件对马达的控制不起作用。
马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动,使针尖缓慢靠近样品,直到进入隧道区为止。
马达控制的操作方式为:“马达控制”选择“进”,点击“连续”按钮进行连续逼近,当检测到的隧道电流达到一定数值后,计算机会进行警告提示,并自动停止逼近,此时单击“单步”按钮,直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近,完成马达控制操作[2]。
离线数据分析离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。
常用的图象分析与处理功能有:平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。
⑴平滑,平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓,消除数据点发生突变的情况。
⑵滤波,滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。
因此,对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺,采用滤波的方式可以大大消除。
⑶傅立叶变换,快速傅立叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。
⑷图象反转,将图象进行黑白反转,会带来意想不到的视觉效果。
⑸数据统计,用统计学的方式对图象数据进行统计分析。
⑹三维生成,根据扫描所得的表面型貌的二维图象,生成直观美丽的三维图象。
大多数的软件中还提供很多其它功能,综合运用各种数据处理手段,最终得到自己满意的图象[2]。
4 扫描隧道显微镜工作模式4.1 恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流I ,使其保持恒定。
再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。
由于要控制隧道电流I 不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动,高度的信息也就由此反映出来。
这就是说,STM得到了样品表面的三维立体信息。
这种工作方式获取图象信息全面,显微图象质量高,应用广泛。
4.2 恒高度模式在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化,隧道电流I的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化,并转换成图像信号显示出来,即得到了STM显微图像。
这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。
从STM的工作原理可以看到:STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面,通过隧道电流获取显微图像,而不需要光源和透镜。