扫描隧道显微镜 ppt课件

1992年又成功移动了吸附在Pt表面上的CO原子。 1993年成功移动48颗Fe原子排列成圆形，实现原子操纵 技术。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界 上最小的算盘。
1990年，美国圣荷塞IBM阿尔马登研究所D. M. Eigler等 人在超真空环境中，用35个Xe原子排成IBM三个字母， 每个字母高5 nm，Xe原子间的最短距离为1 nm。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
重要意义：SPM可操纵单原子、单分子技术，能使
人类从目前的微米尺度对材料的加工跨入到纳米尺度、 原子尺度，完成单分子、单原子、单电子器件的制作， 也可移动原子，构造纳米结构
早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费 曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储 在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科 学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是 人们常说的小尺寸大世界。
扫描探针显微镜产生的必然性
表面结构分析仪器的局限性
1932年
Ruska Knoll
电子显微镜
透射 电子 显微
镜
场电 子显 微镜
场离 子显 微镜
电子 探针
低能 电子 衍射
光电 子能
谱
扫描 电子 显微
镜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。

➢ 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。
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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。
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硅111面原子重构象 对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和
退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合， 结构发生较大变化，这就是所Βιβλιοθήκη 的重构。第5页/共130页
4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作， 样品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特别的 制样技术并且探测过程对样品无损伤。这些特点 特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对 样品表面的评价，例如对于多相催化机理、电化 学反应过程中电极表面变化的监测等。
1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人 瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气 体氙原子组成“IBM”三个英文字母。
用STM移动氙原子排出的“IBM”图案
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二、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 面逸出功φ的能量。当一个粒子的动能E低于前 方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透 射系数等于零，粒子将完全被弹回。
射系数T为：
T
16E
(V0 V02
E
)
e
2
a
2m(V0 E )
T与势垒宽度a，能量差(V0-E)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

STM存在的问题
在Vb 和I保持不变的扫描过程中，如果功函数随样 品表面位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S 的 变 化 ， 因 而 也 引 起 控 制 针 尖 高 度 的 电 压 Vz 的变 化。如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原 子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不 同的电子态密度和功函数，此时STM给出的等电子态 密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面 原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效 果。STM不能区分这两个因素。 利用表面功函数，偏置电压与隧道电流之间的关 系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。
Potential barrier
0 V ( x) V0
for | x | d/2 for | x | d/2
Schroedinger’s equation of motion
d 2u ( x ) 2m 2 V0 E u ( x ) 0 2 dx
Electron (mass m, energy E) has finite probability of ‘tunneling’ through
原理
量子力学：
认为金属中的自由电子还具有波动性，这种 电子波φ1 向金属边界传播，在遇到表面位垒 时，部分反射为φR ，部分透过为φT 。这样， 即使金属温度不是很高，仍有部分电子穿透金 属表面位垒，形成金属表面上的电子云。这种 效应称为隧道效应。
Theory I: Quantum Barrier
P ( E ) e 2 kd
k 2 m (V0 E ) / 2
Theory II: Tunneling Current
insulator
metal 1

现 象 溶液为红色 结 论 氨水能使酚酞变红
观察与思考2:
从这一现象中你可以 得出哪些结论？
分子总是在不断运动着。
烧杯A
烧杯B
现象 溶液逐渐变红。
溶液不变色。
解释 氨分子运动，进入 A 烧杯中，使酚 酞溶液变红。
探究品红分子在冷水和热水中的运动情况
2 、分子总是在不断运动着，温度越高，分 子运动越快。
（O2）
化学变化的实质：分子破裂成原子，原子 重新组合成新的分子。
（3）原子间有间隔； （4）原子也是构成物质的一种粒子。
（金属、稀有气体、金刚石和石墨）
（5）原子在化学变化中不能再分。
分子与原子的比较
分子
原子
相同点
都是构成物质的基本粒子，质量、体积都非 常小、彼此间有间隔、处于不断运动中，同 种物质的分子（原子）性质相同，不同种物 质的分子（原子）性质不同。
在化学变化中可以 在化学反应前后不可
注意：1、分子是保持物质化学性质的最小粒子是对于 由分子构成的物质来说的。
2、分子只能保持物质的化学性质，不能保持 物质的物理性质。
3、最小不是指体积和质量上的最小，而是指 保持物质化学性质不能再分。
三、用分子的观点解释（由分子构成的物质） 1、物理变化和化学变化
物理变化： 分子本身没有发生变化，只 是分子间的间隔发生变化。
结合以上例子理解： 在化学变化中，发生变化的是分子，由原来 的分子变成了新分子，原子没有发生变化。
原子在化学变化中不能再分成更小的粒子。 因此，原子是化学变化中的最小微粒
（二） 原子的性质 1．原子的质量和体积都很小，是肉眼看不 见的。1个氢原子的质量为1.67×10-27kg。
2．原子是在不断运动的。如水银温 度计中的水银柱随温度的变化而变化。