《隧道顯微鏡S》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《隧道顯微鏡S》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學五、原子力顯微鏡〔AFM〕1．特點2．工作原理3．構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)Δ力傳感器Δ微懸臂位移檢測法4．應用例舉六、掃描探針顯微鏡〔SPM〕

五、原子力顯微鏡〔AFM〕一、簡介1．從光學顯微鏡→電子顯微鏡→場離子顯微鏡→STM分辨200nm幾個nm?2．原理3．獨特優(yōu)點：Δ觀察外表形貌達原子分辨Δ無需任何透鏡，不存在象差Δ可在各種條件下測量：真空、大氣、水、油及液氮中Δ廣泛的應用：形貌、外表電位、電子態(tài)分布原子力顯微鏡及原子探針顯微鏡納米技術(shù)、外表微細加工、搬動原子

1986年獲諾貝爾物理獎(G.BinnigandH.Rohrer)一、簡介二、根本原理1．隧道電流隧道結(jié)電流密度〔對兩平行金屬〕

s：有效隧道距離VT：所加電壓ko：ko=φ：有效勢壘高度φ＝1/2(φ1+φ2)eV對于真空是幾個電子伏對氧化物小于1電子伏

二、根本原理I-s有指數(shù)關(guān)系：I∝exp[-2kos]隧道電流在10－9－10－6A量級當s增加Δs時：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]設(shè)Δs=1?，ko≈1?－1(φ～5eV)那么exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：當s增加1?時，I將減少一個數(shù)量級。I-s有指數(shù)關(guān)系：2．工作模式△恒高模式用隧道電流的大小來調(diào)制顯象管的亮度△恒電流模式用電子學反響的方法控制針尖與樣品間距離不變(保持隧道電流不變)，用反響調(diào)制電壓控制顯象管亮度或畫出外表形貌三維圖象。2．工作模式精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常數(shù)兩邊微分ΔI/I=-2koΔs假設(shè)保持隧道電流I不變ΔI/I在±2％之內(nèi)〔電路控制可達精度〕設(shè)ko≈1?－1，那么Δs≈0.01?說明：針尖至外表距離的控制精度可達0.01?精度控制估算：三、掃描隧道顯微鏡的構(gòu)造1.技術(shù)關(guān)鍵△微小距離的移動及控制－壓電陶瓷位移靈敏度在5?/V量級STM針尖半徑R3-10?針尖與外表距離2-5?△防震三、掃描隧道顯微鏡的構(gòu)造2.構(gòu)造三維控制的壓電陶瓷：Px和Py上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿外表作光柵掃描。利用隧道結(jié)電流I反響，控制加于Pz上的電壓來控制s，以保持I不變。如s↗→I↘→Pz上的電壓↗→Pz伸長→s↘。VPz(VPx,VPy)曲線為樣品外表三維輪廓線。2.構(gòu)造△XYZ位移器〔樣品位置細調(diào)〕微小距離移動的準確控制△樣品粗調(diào)使針尖與外表的距離，從光學可覺察的距離(10-100μm)調(diào)整到100?量級－Louse構(gòu)造－精細螺旋機構(gòu)△防震系統(tǒng)分析－使由振動引起的隧道距離變化0.001nm(振動：針對重復性、連續(xù)的，通常頻率在1－100Hz)△XYZ位移器〔樣品位置細調(diào)〕四、掃描隧道顯微鏡的應用1．外表形貌測量及其分辨率假設(shè)樣品外表存在陡變臺階，由于針尖半徑R有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過渡區(qū)δ。δ與R、s和ko有如下近似關(guān)系：

R：針尖半徑S：針尖至外表距離

假設(shè)R=3?,s=2?,ko=1?-1那么δ≈1.6?(分辨率)只有在外表各處逸出功一樣時，針尖在z方向的位移才表示樣品外形的起伏。Ko=φ=(1/2)(φ1+φ2)四、掃描隧道顯微鏡的應用Ko=2．逸出功的測量由I∝exp[-2kos]ΔI/I=-2koΔsΔI/Δs=2Iko假設(shè)I保持不變那么：dI/ds∝ko∝φ1/2工作方式：掃描中保持I不變，使s有一交流調(diào)制，dI/ds隨x,y變化。dI/ds(x,y)平方后即為逸出功象。3．掃描隧道譜(STS)在外表的某個位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針尖在X、Y平面掃描，測dI/dV隨x,y的變化，得掃描隧道譜象。外表的電子性質(zhì)和化學性質(zhì)表現(xiàn)在I-V和dI/dV－V曲線中。2．逸出功的測量應用舉例：Si(111)面的7×7構(gòu)造STM△水平分辨率:0.1nm縱向分辨率:0.001nm△信息中包含有形貌特性、逸出功及電子態(tài)分布采用特殊的工作模式,可把后兩者信息提取出來?！鲗τ诜菍w或針尖有沾污的情況，不能進展正確的測量STM△水平分辨率:0.1nm△信息中包含五、原子力顯微鏡(AFM)AtomicForceMicroscope

1．特點：△能測量絕緣體的外表形貌(STM不能)△測量外表原子間的力測量彈性、塑性、硬度等五、原子力顯微鏡(AFM)2．AFM的構(gòu)造及工作原理

微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。針尖與表面輕輕接觸(斥力:10－8－10－6N)。樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定(樣品與針尖間距離不變)。測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而獲得樣品形貌信息。利用了原子間的力

關(guān)鍵技術(shù)：微懸臂及其位移檢測2．AFM的構(gòu)造及工作原理微懸臂一端固定，另3.構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)〔振動隔離及樣品移動等與STM一樣〕

〔1〕AFM微懸臂位移的檢測方法要求：有納米量級的檢測靈敏度測量對懸臂產(chǎn)生的作用力小到可忽略方法：隧道電流法〔用STM〕光學檢測法:干預法光束反射法電容檢測法3.構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)〔1〕AFM微懸臂位移的檢測方法隧道電流法〔用STM〕隧道電流法〔用STM〕光束反射法光束反射法《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件(2)力傳感器(微懸臂和針尖)△低的力彈性常數(shù)△高的力學共振頻率△高的橫向剛性△短的懸臂長度△帶有鏡子或電極△盡可能尖的尖端(2)力傳感器(微懸臂和針尖)利用彈性元件形變F=kΔz(虎克定理)F很小，k和Δz也必須小。但k小不符合剛性原那么，因此在降低k的同時，也要減小M。

例:微杠桿由25μm金箔作成，重量10－10kgfd=2kHzk=2×10-2N/m因STM測的Δz可小至10－3－10－5nm那么有：F=kΔz=2×(10－14－10－16)N利用彈性元件形變《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件用簡潔的語言或圖示的方法說明STM與AFM工作原理之間的差異用簡潔的語言或圖示的方法說明STM與AFM工作原理之間的△絕緣樣品、生物樣品形貌測量4.應用例舉△絕緣樣品、生物樣品形貌測量4.應用例舉△彈性和塑性測量△外表原子間力的測量△彈性和塑性測量△外表原子間力的測量掃描探針顯微鏡(SPM)在STM根底上開展起來AFM與樣品有輕微接觸(斥力狀態(tài))，使樣品有損傷。SPM：壓電陶瓷驅(qū)使微懸臂在接近共振頻率處作強迫振動，利用樣品與針尖在10-100nm范圍內(nèi)的長程力(如吸引的范德瓦爾力、磁力、靜電力等)，改變微懸臂的振動情況，為保持振動情況不變所加的信號反映外表起伏。激光力顯微鏡〔LFM〕掃描熱顯微鏡磁力顯微鏡〔MFM〕掃描隧道電位儀靜電力顯微鏡〔EFM〕光子掃描隧道顯微鏡彈道電子發(fā)射技術(shù)掃描近場光學顯微鏡掃描離子電導顯微鏡掃描探針顯微鏡(SPM)搬遷分子、原子搬遷分子、原子《隧道顯微鏡S》-2教學課件單原子器件納米級加工與測量

單原子器件納米級加工與測量優(yōu)點：高分辨率實時動態(tài)過程檢測樣品可以是晶體，亦可為非晶構(gòu)造無需特殊制樣技術(shù)對樣品幾乎無損傷局限性：外表起伏<1nm不能觀測樣品內(nèi)部優(yōu)點：《隧道顯微鏡S》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《隧道顯微鏡S》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學五、原子力顯微鏡〔AFM〕1．特點2．工作原理3．構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)Δ力傳感器Δ微懸臂位移檢測法4．應用例舉六、掃描探針顯微鏡〔SPM〕

五、原子力顯微鏡〔AFM〕一、簡介1．從光學顯微鏡→電子顯微鏡→場離子顯微鏡→STM分辨200nm幾個nm?2．原理3．獨特優(yōu)點：Δ觀察外表形貌達原子分辨Δ無需任何透鏡，不存在象差Δ可在各種條件下測量：真空、大氣、水、油及液氮中Δ廣泛的應用：形貌、外表電位、電子態(tài)分布原子力顯微鏡及原子探針顯微鏡納米技術(shù)、外表微細加工、搬動原子

1986年獲諾貝爾物理獎(G.BinnigandH.Rohrer)一、簡介二、根本原理1．隧道電流隧道結(jié)電流密度〔對兩平行金屬〕

s：有效隧道距離VT：所加電壓ko：ko=φ：有效勢壘高度φ＝1/2(φ1+φ2)eV對于真空是幾個電子伏對氧化物小于1電子伏

二、根本原理I-s有指數(shù)關(guān)系：I∝exp[-2kos]隧道電流在10－9－10－6A量級當s增加Δs時：I∝exp[-2kos]·exp[-2koΔs]設(shè)Δs=1?，ko≈1?－1(φ～5eV)那么exp[-2koΔs]=e－2≈1/8即：當s增加1?時，I將減少一個數(shù)量級。I-s有指數(shù)關(guān)系：2．工作模式△恒高模式用隧道電流的大小來調(diào)制顯象管的亮度△恒電流模式用電子學反響的方法控制針尖與樣品間距離不變(保持隧道電流不變)，用反響調(diào)制電壓控制顯象管亮度或畫出外表形貌三維圖象。2．工作模式精度控制估算：由I∝exp[-2kos]lnI=-2kos+常數(shù)兩邊微分ΔI/I=-2koΔs假設(shè)保持隧道電流I不變ΔI/I在±2％之內(nèi)〔電路控制可達精度〕設(shè)ko≈1?－1，那么Δs≈0.01?說明：針尖至外表距離的控制精度可達0.01?精度控制估算：三、掃描隧道顯微鏡的構(gòu)造1.技術(shù)關(guān)鍵△微小距離的移動及控制－壓電陶瓷位移靈敏度在5?/V量級STM針尖半徑R3-10?針尖與外表距離2-5?△防震三、掃描隧道顯微鏡的構(gòu)造2.構(gòu)造三維控制的壓電陶瓷：Px和Py上加周期鋸齒波電壓，使針尖沿外表作光柵掃描。利用隧道結(jié)電流I反響，控制加于Pz上的電壓來控制s，以保持I不變。如s↗→I↘→Pz上的電壓↗→Pz伸長→s↘。VPz(VPx,VPy)曲線為樣品外表三維輪廓線。2.構(gòu)造△XYZ位移器〔樣品位置細調(diào)〕微小距離移動的準確控制△樣品粗調(diào)使針尖與外表的距離，從光學可覺察的距離(10-100μm)調(diào)整到100?量級－Louse構(gòu)造－精細螺旋機構(gòu)△防震系統(tǒng)分析－使由振動引起的隧道距離變化0.001nm(振動：針對重復性、連續(xù)的，通常頻率在1－100Hz)△XYZ位移器〔樣品位置細調(diào)〕四、掃描隧道顯微鏡的應用1．外表形貌測量及其分辨率假設(shè)樣品外表存在陡變臺階，由于針尖半徑R有一定尺寸，針尖的軌跡將有一過渡區(qū)δ。δ與R、s和ko有如下近似關(guān)系：

R：針尖半徑S：針尖至外表距離

假設(shè)R=3?,s=2?,ko=1?-1那么δ≈1.6?(分辨率)只有在外表各處逸出功一樣時，針尖在z方向的位移才表示樣品外形的起伏。Ko=φ=(1/2)(φ1+φ2)四、掃描隧道顯微鏡的應用Ko=2．逸出功的測量由I∝exp[-2kos]ΔI/I=-2koΔsΔI/Δs=2Iko假設(shè)I保持不變那么：dI/ds∝ko∝φ1/2工作方式：掃描中保持I不變，使s有一交流調(diào)制，dI/ds隨x,y變化。dI/ds(x,y)平方后即為逸出功象。3．掃描隧道譜(STS)在外表的某個位置作I-V或dI/dV－V，得有特征峰的STS。在特征峰電壓處，保持平均電流不變，使針尖在X、Y平面掃描，測dI/dV隨x,y的變化，得掃描隧道譜象。外表的電子性質(zhì)和化學性質(zhì)表現(xiàn)在I-V和dI/dV－V曲線中。2．逸出功的測量應用舉例：Si(111)面的7×7構(gòu)造STM△水平分辨率:0.1nm縱向分辨率:0.001nm△信息中包含有形貌特性、逸出功及電子態(tài)分布采用特殊的工作模式,可把后兩者信息提取出來?！鲗τ诜菍w或針尖有沾污的情況，不能進展正確的測量STM△水平分辨率:0.1nm△信息中包含五、原子力顯微鏡(AFM)AtomicForceMicroscope

1．特點：△能測量絕緣體的外表形貌(STM不能)△測量外表原子間的力測量彈性、塑性、硬度等五、原子力顯微鏡(AFM)2．AFM的構(gòu)造及工作原理

微懸臂一端固定，另一端有一微小針尖。針尖與表面輕輕接觸(斥力:10－8－10－6N)。樣品掃描，保持樣品與針尖間作用力恒定(樣品與針尖間距離不變)。測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而獲得樣品形貌信息。利用了原子間的力

關(guān)鍵技術(shù)：微懸臂及其位移檢測2．AFM的構(gòu)造及工作原理微懸臂一端固定，另3.構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)〔振動隔離及樣品移動等與STM一樣〕

〔1〕AFM微懸臂位移的檢測方法要求：有納米量級的檢測靈敏度測量對懸臂產(chǎn)生的作用力小到可忽略方法：隧道電流法〔用STM〕光學檢測法:干預法光束反射法電容檢測法3.構(gòu)造及關(guān)鍵技術(shù)〔1〕AFM微懸臂位移的檢測方法隧道電流法〔用STM〕隧道電流法〔用STM〕光束反射法光束反射法《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件《隧道顯微鏡S》-2教學課件(2)力傳感器(微懸臂和針尖)△低的力彈性常數(shù)△高的力學共振頻率△高的橫向剛性△短的懸臂長度△帶有鏡子或電極△盡可能尖的尖端(2)力傳感器(微懸臂和針尖)利用彈性元件形變F=kΔz(虎