yy.vip易游-扫描隧道显微镜实验报告2

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　　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

　　扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应.对于经典物理学来说,当一粒子

　　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.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

　　子可以穿过比它的能量更高的势垒,这个现象称为隧道效应,它是由于粒子的波动性而引

　　的解不一定是零（如果V不是无限大的话）。因此一个入射粒子穿透一个的有限区域

　　的几率是非零的,所以物质表面上的一些电子会散逸出来,在样品四周形成电子云。在导体

　　表面上之外空间的某一位置发现电子的几率会随这个位置与表面距离的增大而呈现指数形

　　STM的工作原理来源于量子力学的隧道效应贯穿原理。其核心是一个能在样品表面上

　　扫描,并与样品间有一定的偏置电压,其镇静为原子尺度的针尖,由于电子隧穿的几率与

　　宽度呈现负指数关系,当针尖和样品的距离非常接近时,其间的电势变得很薄,电子

　　云相互重叠,在针尖和样品之间施加一电压,电子就可以通过隧道效应由针尖移到样品或

　　从样品移到针尖,形成隧道电流。通过记录针尖和样品间的隧道电流的变化就可以得到样品

　　公式（2）给出了隧道电流与两电极间的距离S的负指数关系,。其中,为自由电子的质

　　可以看出,粗略的来说,S每改变0.1nm,隧道电流I就会改变一个数量级,因此可以知道

　　扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝,如钨丝,铂—铱丝等,被观测样品应具

　　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

　　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

　　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。

　　如果针尖上只有一个或两个原子的突出,原则上就能获得原子级的分辨率,因为隧穿几率随

　　后度迅速衰减,所以针尖的锐度、形状和化学纯度直接影响着STM的扫描效果和分辨率。

　　本实验用直径为0.5mm的钨丝通过电化学腐蚀的方法制备STM针尖。U型管中装有NaOH

　　水溶液,U型管一端插入要溶解的钨丝作为阳极,另一端插入阴极,材料也是钨丝。当在阳极

　　制备过程中,钨丝的一端插入到电解液时,溶液表面由于表面张力使得钨丝周围形成一个弯

　　曲的液面,此处的钨丝溶解的较快,逐步细化,最终形成针尖,弯曲液面越短,形成针尖的

　　纵横比越小,要注意控制弯曲液面的变化,使得针尖具有较小的纵横比,此时插入到液面以

　　下的钨丝长度约为0.5~1mm为宜,本实验用3mol/L的NaOH为电解液,温度为室温。

　　压电陶瓷有压电性质,能将1mV～1000V电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位

　　减震系统：任何微小的震动都会对仪器的稳定产生影响,隔绝震动的方法：提高固有频率和

　　底座结构图:降低大幅度震动带来的影响,另外仪器中对探测部分采用弹簧悬吊的模式,

　　STM仪器由具有减振系统的STM头部、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成（图

　　2）．头部的主要部件是用压电陶瓷做成的微位移扫描器,在x-y方向扫描电压的作用下,扫

　　描器驱动探针在导电样品表面附近作x-y方向的扫描运动．与此同时,由差动放大器来检

　　测探针与样品间的隧道电流,并把它转换成电压,反馈到扫描器,作为探针z方向的部分

　　驱动电压,以控制探针作扫描运动时离样品表面的高度．STM常用的工作模式主要有以下两

　　利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x-y方向扫描,而z方向的反馈回路控制隧道电流的恒定,

　　当样品表面凸起时,针尖就会向后退,以保持隧道电流的值不变,当样品表面凹进时,反

　　馈系统将使得针尖向前移动,则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面

　　的起伏. 将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录并显示出来, 就得到了样品表面态密度

　　的分布或原子排列的图像. 这种工作模式可用于观察表面形貌起伏较大的样品, 且可通过

　　加在 z 方向的驱动电压值推算表面起伏高度的数值. 恒流模式是一种常用的工作模式, 在

　　针尖的x-y方向仍起着扫描的作用, 而z方向则保持绝对高度不变, 由于针尖与样品表面的

　　局域高度会随时发生变化, 因而隧道电流的大小也会随之明显变化, 通过记录扫描过程中

　　隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布. 恒高模式的特点是扫描速度快, 能够减少噪

　　音和热漂移对信号的影响, 实现表面形貌的实时显示, 但这种模式要求样品表面相当平坦,

　　2.用旧针尖来调节实验中所需要的针尖高度进行粗逼近, 直到针尖距样品表面为

　　3.装好针尖后, 运行STM系统控制软件, 设置隧道电流和偏置电压分别为1nA 和1.1V。进

　　行自动进针, 系统报警后进行手动进针, 直到复合扫描要求为止, 再对石墨样品表面进行扫

　　描, 采集石墨样品表面图像数据后进行处理, 并根据石墨样品的晶格参数计算系统X和Y方

　　2、 在电流一定的条件下, 减小偏置电压, 样品与针尖距离减小；偏置电压一定, 增大隧道电

　　3、 同等倍数缩小x, y 的取值范围, 同时对应的缩小扫描时间, 会导致扫描得到的图像放大

　　由于石墨碳原子的六角网格第一层与第二层错开六角形对角线 而平行叠合, 第一

　　层与第三层位置重复, 属于ABAB 型序列。又由于STM的局限性, 只能在所拍得图片中显

　　示空间原子较密的部分原子。所以我们看到的原子结构实际上只保留了AB 两层重叠的相邻

　　原子。而错开的部分原子并未在图像中显示。我们看到的原子间距为2.46 Å。结构示意图如

　　在图上取石墨晶体的某一晶向AB, AB 长度为10cm, 直线AB 在x 轴和y 轴的截距分别为

　　2、扫描速度不宜过快, 也不宜过慢。扫描速度太快会导致扫描反馈不够及时, 可能会导致毁

　　坏探针；扫描速度过慢会导致放大探针本身的不稳定性, 对扫描图像造成较大的干扰影响。

　　3、调节针尖与样品的距离的过程中, 先用粗调, 再细调。细调的过程中, 电压的调节范围应

　　4、要想得到最好的图像, 针尖要很理想, 且样品最好要光滑, 且在扫描的过程中系数对图

　　5、在图像分析中, x, y 方向原子分布不均匀, y 方向原子分布更为密集, 所以可以保持x 范围

　　6、实验的扫描效果并不是很理想, 图像不是很清晰。这和扫描过程中的众多因素有关, 如外

　　界信号的干扰、扫描参数的设置、真空度、石墨样品表面的光滑程度等, 其中影响最大的就