【正文】 。 88 原子力顯微鏡（ AFM）原理 ? 設(shè)兩個(gè)原子中，一個(gè)是在懸臂（ cantilever）的探針尖端，另一個(gè)是在樣品的表面，它們之間作用力會(huì)隨距離的改變而變化，其作用力與距離的關(guān)系，如圖所示。 ? AFM與 STM最大的差別 ： 在于 它 并非利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子間的范德華力（ Van Der Waals Force）作用來(lái)呈現(xiàn)樣品的表面特性。 ? “中國(guó) ” 字樣； ? 中科院的英文縮寫(xiě)字CAS“； ? 中國(guó)地圖； ? 奧運(yùn)會(huì)五環(huán)旗圖 86 END 請(qǐng)各位同學(xué)多提出寶貴的意見(jiàn)！ 謝 謝！ 87 二、原子力顯微鏡（ AFM） ? 原子力顯微鏡 （ Atomic Force Microscopy）： ? 掃描隧道顯微鏡（ STM） 不能測(cè)量絕緣體表面的形貌。 85 ? 這是中科院化學(xué)所的科技人員用自制 STM，在石墨表面上刻蝕出的圖象都十分清晰逼真，圖形的線(xiàn)寬實(shí)際上只有10nm。 ? 1994年初，中科院真空物理所研究人員成功地通過(guò) STM在硅單晶表面上提走硅原子，形成平均寬度為 2nm (3～ 4個(gè)原子 )的線(xiàn)條。 84 ? STM問(wèn)世后，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今最微小的操作，可按照自己的意愿操縱原子，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)操縱和加工，是目前國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)的 21世紀(jì)高新技術(shù)。這是世界上首次觀察到的電子駐波直觀圖形。在 4K 條件下，用 STM針尖將 48個(gè)鐵原子排列成了一個(gè)稱(chēng)之為 量子圍欄 的圓環(huán)，最近的鐵原子相距 。 ? 這個(gè) 分子人 從頭到腳只有 5nm高，堪稱(chēng)世界上最小的人形圖案。 81 ? 1991年， IBM公司“拼字”科研小組用 STM針尖移動(dòng)吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成一個(gè)大腦袋小人的形象。 ? 這幾個(gè)字母高度約是一般印刷用字母的二百萬(wàn)分之一，原子間間距只有 。 79 原子的排列圖 砷化鎵表面砷原子的排列圖 硅表面硅原子的排列 單個(gè)氙原子 (尺度為 ) 已被排列成了一列 80 對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱 ? 1990年， IBM公司兩位科學(xué)家用 STM針尖移動(dòng)吸附在金屬鎳表面上的氙原子，得到了如圖所示的形狀。故可直接觀察表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置等。 ? ④ 利用 STM針尖，可對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱。 77 STM的特點(diǎn) ? STM的特點(diǎn)： ? ① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有 原子級(jí) 的分辨本領(lǐng) ，其橫向分辨率達(dá)，在與樣品垂直的 Z方向，其分辨率高達(dá) ，即可分辨出單個(gè)原子 。 ? 目前，常用 STM中針尖的升降、平移運(yùn)動(dòng)均采用 壓電陶瓷控制 。 74 ? 為顯示表面的微觀結(jié)構(gòu)，探針移動(dòng)有極為嚴(yán)格的要求： ? ① 針尖與表面間距離 1nm ，還要保證其穩(wěn)定性； ? ② 精確度 ，為此， ? 探針驅(qū)動(dòng)頭： 必須高度精確，設(shè)備要防止外界振動(dòng)的干擾； 探針尖： 也應(yīng)在剛性和盡可能做得尖銳。 ? 因此，制備 STM的探針針尖至關(guān)重要。 ? 因針尖若有多個(gè)原子，則樣品表面與針尖間同時(shí)產(chǎn)生多道隧道電流，而儀器采集到的為所有隧道電流的平均值。 恒高度模式 ? 恒高模式： ? 掃描速度快 ，但僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一 (如由同種原子組成 )的情形。 ? 可用于 觀察表面形貌起伏較大的樣品 ； 顯示導(dǎo)電材料表面的原子排列情況?？梢?jiàn)，用掃描隧道顯微鏡獲得的是樣品表面的三維立體信息。 ? 掃描時(shí)，一般沿著平面坐標(biāo)的 XY兩方向作二維掃描。 ? STM主體： 極細(xì)的探針針尖及其平面掃描機(jī)構(gòu)、樣品與針尖間距控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及系統(tǒng)與外界振動(dòng)的隔離裝置。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)，在屏幕上即顯示出樣品的表面形貌。 ? 也可算得：當(dāng)距離 d減少 ，隧道電流 I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，即隧道電流 I對(duì)樣品表面的微觀起伏特別敏感。 ? 近似計(jì)算得： 當(dāng) 針尖與表面的間隙 d每增加 ，隧道電流 I將下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。 ? 電子隧道效應(yīng) 產(chǎn)生的電流則稱(chēng)為 隧道電流 。 ? 這如同在山腰部打通了一條隧道，而火車(chē)通過(guò)隧道那樣，此現(xiàn)象在量子力學(xué)中稱(chēng)為 隧道效應(yīng)。即兩導(dǎo)體間存在著勢(shì)壘，像隔著一座山一樣。 ? STM 就是通過(guò)顯示這層電子云的分布而考察樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)的。這層電子云的密度隨著與表面的距離的增大而按指數(shù)規(guī)律迅速減小，衰減長(zhǎng)度約為 1nm。 65 隧道效應(yīng)原理 ? 在樣品的表面有一 表面勢(shì)壘 阻止內(nèi)部的電子向外運(yùn)動(dòng)。 Gerd Binnig 1/4 of the prize Federal Republic of Germany b. 1947 Heinrich Rohrer 1/4 of the prize Switzerland b. 1933 Ernst Ruska 1/2 of the prize Federal Republic of Germany b. 1906 d. 1988 64 掃描隧道顯微鏡（ STM）的基本原理 ? 掃描隧道顯微鏡（ STM）： 不用光源也不用透鏡，其顯微部件是一枚細(xì)而尖的金屬（如鎢）探針。 ? 1988 年，我國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)制成了新型的 STM ，其分辨率達(dá)到原子級(jí)，圖象質(zhì)量達(dá)到國(guó)際水平，為在我國(guó)廣泛開(kāi)展掃描隧道顯微學(xué)的研究工作，為進(jìn)一步探索微觀世界的奧秘，提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 62 ? 掃描隧道顯微鏡（ STM）： ? 可精確地觀察材料的表面結(jié)構(gòu)，成為研究表面物理和其他實(shí)驗(yàn)研究的重要工具。賓尼（ ） 和海 ? 電子顯微鏡： 是近代用于研究材料微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，但因高速電子會(huì)穿進(jìn)樣品深處，故并不適用于研究材料的表面結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸砻嫖⒂^結(jié)構(gòu)，如原子排列與電子云分布等與內(nèi)部不同。 ? (4)氣體吸附和催化： ? 氣體吸附：也是目前低能電子衍射最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。 59 三、低能電子衍射的應(yīng)用 ? (3)氧化膜的形成： ? 表面氧化膜的形成：從 氧原子吸附 － 氧與表面的反應(yīng) － 生成三維的氧化物 復(fù)雜的過(guò)程。常處于基底的點(diǎn)陣位置上形成有序排列，其平移矢量是基底點(diǎn)陣間距的整數(shù)倍，它取決于沉積原子的尺寸、基底點(diǎn)陣常數(shù)和化學(xué)鍵性質(zhì)。 ? 例如：金屬通過(guò)蒸發(fā)沉積在另一種晶體表面的外延生長(zhǎng)。 ? 若表面存在某種程度的 長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu) ，也能成功地利用低能電子衍射加以鑒別。 57 三、低能電子衍射的應(yīng)用 ? 例如： Si在 800℃ 左右退火后，解理的或拋光的 (111)表面發(fā)生了 “ 改組 ” ，出現(xiàn)所謂 “ Si(111)7”超結(jié)構(gòu)； ? Ge的 (111)表面： 可能有幾種不同的超結(jié)構(gòu)，并已發(fā)現(xiàn)在表面結(jié)構(gòu)和表面電子狀態(tài)間有著直接的聯(lián)系。 ? (1)晶體的表面原子排列 ： ? 低能電子衍射分析發(fā)現(xiàn) ： 金屬晶體表面的二維結(jié)構(gòu)，并不一定與其整體相一致，也就是說(shuō)，表面上原子排列的規(guī)則未必與內(nèi)部平行的原子面相同。 圖 148 α W的 (001)表面低能電子衍射花樣 a)清潔的表面； (b)吸附氧原子后產(chǎn)生的超結(jié)構(gòu)花樣 55 ? 對(duì)照一下兩圖，不難得到有關(guān)表面位向和氧原子吸附方式的正確結(jié)論。 因此，衍射花樣的分析是非常直觀和方便的。 ? 半球形接收極： ? 涂有熒光粉，并接 5KV正電位，對(duì)穿過(guò)柵極的衍射束（由彈性散射電子組成）起加速作用，增加其能量，使之在接收極的熒光面上產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的低能電子衍射花樣，可從靶極后面直接觀察或拍照記錄。 52 ? 柵極 G2： 和 G3相聯(lián)，并有略大于燈絲（陰極）的負(fù)電位，用來(lái)排斥損失了部分能量的非彈性散射電子。 ? 樣品： 處于半球形接收極的中心，在樣品與接收極之間有3～ 4個(gè)半球形的網(wǎng)狀柵極。 ? 從 電子槍 鎢絲發(fā)射熱電子，經(jīng)三級(jí)聚焦杯加速、聚焦并準(zhǔn)直成平行電子束，照射到樣品 (靶極 )表面。此時(shí)，與原先 “ 清潔 ” 表面相比，衍射花樣中也必將出現(xiàn)額外的 超結(jié)構(gòu)斑點(diǎn) 。 ? 若吸附原子在基體