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第二章纳米材料的表征方法之STM和AFM扫描隧道显微镜(STM)(一)STM(ScanningTunnelingMicroscopy)发明者:,,1978年开始,1982年,获得CaIrSn4单晶单原子台阶像1983年,获得第一张,Si(111)-7?7表面重构像1986年,,获Nobel物理学奖实验条件:非常广泛气氛:大气、真空、溶液、惰性气体、反应性气体温度:绝对零度到摄氏数百度STM(二)?STM的应用:–表面结构观测:原子级空间分辨率,表面物理和化学过程,生物体系。–纳米结构加工:操纵原子和分子,制备纳米尺度的超微结构。STM(三)-原理:隧道效应经典力学:当粒子的能量低于势垒高度时,粒子被束缚,无法穿越势垒(穿越的几率为零)。量子力学:低能量粒子穿越势垒的束缚,出现在势垒之外几率大于零;微观粒子波动性的表现隧道效应显著出现的条件:势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长相当。遂穿过程遵守能量守恒和动量(或准动量)守恒定律。STM(四)-隧道效应一维的金属-真空-金属隧道结金属-真空-金属隧道结模型:金属之一代表STM的针尖,另一代表被测样品,简化假设:针尖和样品的逸出功相同(?)STM(五)-隧道电流?以上图的金属-真空-金属系统为例,在偏压V的条件下,隧道电流近似为:?I?V?s(0,EF)e-?-1/2–?为金属逸出功,?4eV–?s(0,EF)为样品表面EF处的局域态密度–?-1/2?1埃-1?电流的衰减速度,每埃约为e2倍(),非常快。这是STM高的空间分辨率(原子级)的物理起因。STM(六)-工作原理针尖和样品的距离在1nm左右或更小恒高模式:高度不变,记录隧道电流,通过电流大小反应高度变化。限制:对样品表面要求很高。恒电流模式:遂道电流不变,记录针尖的上下运动轨迹。STM(七)-系统结构1、特点:近场成像2、精度控制:极其严格。高度::、压电陶瓷器件:1mV-。3、控制热漂移STM(七)-实验方法?原子级的超高空间分辨能力:实现关键是STM针尖的几何形状。?STM针尖状况:存在一定的不确定性,针尖偶然出现原子或原子簇的突起,获得可重复的图像仍是目前的首要问题。?常用针尖材料:Pt-Ir(铂铱)针尖,W针尖?针尖原子的电子态:d电子态比s电子态分辨率高STM(八)-实验方法?样品制备:比较简单,适用于各种导电样品,或者将有机、生物、颗粒状物质固定在导电基底上。?金属样品:避免环境中的污染物质,超高真空STM。?半金属:石墨、过渡金属二硫化物、三硫化物。取新鲜表面既可。?半导体:同金属物质,超高真空STM。?绝缘体:先沉积金膜