大物 納米精品課件

1、大物 納米第1頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 光學(xué)顯微鏡的出現(xiàn)，開闊了人們的觀察視野，但是由于受到光波波長的限制，光學(xué)顯微鏡的觀察范圍只能局限在細胞的水平上，分辨率大約10-6米至10-7米的水平上.人類能否看得更小，更精確一些呢？為了達到這個目的，科學(xué)家進行了幾個世紀不懈的努力。 掃描隧道顯微鏡的誕生第2頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 1931年德國科學(xué)家恩斯特.魯斯卡利用電子透鏡可以使電子束聚焦的原理和技術(shù)，成功地發(fā)明了電子顯微鏡. 電子顯微鏡一出現(xiàn)即展現(xiàn)了它的優(yōu)勢，電子顯微鏡的放大倍數(shù)提高到上萬倍，分辨率達到了10-8米。在電子顯微鏡下

2、，比細胞小的多的病毒也露出了原形。人們的視覺本領(lǐng)得到了進一步的延伸。掃描隧道顯微鏡的誕生第3頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 1982年，物理學(xué)家賓尼和他的導(dǎo)師羅雷爾發(fā)明了世界上第一臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡。 掃描隧道顯微鏡的英文名稱是 Scanning Tunneling Microscope， 簡稱為STM。STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。掃描隧道顯微鏡的誕生第4頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點一到零點幾個納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物

3、質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。掃描隧道顯微鏡的誕生第5頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 圖中顯示的是硅表面重構(gòu)的原子照片，照片上，硅原子在高溫重構(gòu)時組成了美麗的圖。掃描隧道顯微鏡的誕生第6頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 為什么STM有如此高的分辨率？它又是如何工作的呢？為了弄清這個問題，我們先要從隧道效應(yīng)講起. 如果在一段導(dǎo)體的兩端加上電壓，就會有電流流過這個導(dǎo)體。如果把這個導(dǎo)體弄斷并分開呢？自然就沒有電流了。這是大家所熟悉的電路常識。掃描隧道顯微鏡的原理第7頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 但是如果我們想象把這斷

4、為兩截的導(dǎo)體放得非常非常近，比如說距離控制到小于1納米吧，情況又會怎樣呢？ 根據(jù)量子力學(xué)理論的計算和科學(xué)實驗的證明，當(dāng)具有電位差的兩個導(dǎo)體之間的距離小到一定程度時，電子將存在一定的幾率穿透兩導(dǎo)體之間的勢壘從一端向另一端躍遷。掃描隧道顯微鏡的原理第8頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 這種電子躍遷的現(xiàn)象在量子力學(xué)中被稱為隧道效應(yīng)，而躍遷形成的電流叫做隧道電流。之所以稱為隧道，是指好象在導(dǎo)體之間的勢壘中開了個電流隧道一樣。 隧道電流有一種特殊的性質(zhì)，即對兩導(dǎo)體之間的距離非常敏感，如果把距離減少0.1納米，隧道電流就會增大一個數(shù)量級。掃描隧道顯微鏡的原理第9頁，共26頁，202

5、2年，5月20日，15點3分，星期二掃描隧道顯微鏡的原理第10頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 現(xiàn)在我們把兩個導(dǎo)體如圖換成尖銳的金屬探針和平坦的導(dǎo)電樣品，在探針和樣品之間加上電壓。當(dāng)我們移動探針逼近樣品并在反饋電路的控制下使二者之間的距離保持在小于1納米的范圍時，根據(jù)前面描述的隧道效應(yīng)現(xiàn)象，探針和樣品之間產(chǎn)生了隧道電流。掃描隧道顯微鏡的原理第11頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 隧道電流對距離非常敏感。當(dāng)移動探針在水平方向有規(guī)律的運動時，探針下面有原子的地方隧道電流就強，而無原子的地方電流就相對弱一些。把隧道電流的這個變化記錄下來，再輸入到計算機

6、進行處理和顯示，就可以得到樣品表面原子級分辨率的圖象。掃描隧道顯微鏡的原理第12頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 如此微小的掃描移動，如此精確的距離控制，STM是怎樣實現(xiàn)的呢？為了說明這個問題，我們需要介紹STM的另一個重要器件壓電陶瓷。掃描隧道顯微鏡的原理第13頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小呈線形關(guān)系。也就是說，可以通過改變電壓來控制壓電陶瓷的微小伸縮。掃描隧道顯微鏡的原理第14頁，共26頁，2022年，

7、5月20日，15點3分，星期二通過控制X，Y方向伸縮達到驅(qū)動探針在樣品表面掃描的目的；通過控制 Z 方向壓電陶瓷的伸縮達到控制探針與樣品之間距離的目的。我們把三個分別代表X，Y，Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀。掃描隧道顯微鏡的原理第15頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 STM探針的最尖端是非常尖銳的，通常只有一兩個原子。因為只有原子級銳度的針尖才能得到原子級分辨率的圖象，正好比只有刻度精確的尺子才能測量得到精確的尺度一樣。掃描隧道顯微鏡的原理第16頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 總之，掃描隧道顯微鏡的基本工作原理是利用探針與樣品在近距離（小

8、于0.1納米）時，由于二者存在電位差而產(chǎn)生隧道電流，隧道電流對距離非常敏感；掃描隧道顯微鏡的原理第17頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二當(dāng)控制壓電陶瓷使探針在樣品表面掃描時，由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發(fā)生變化，而距離的變化引起了隧道電流的變化；控制和記錄隧道電流的變化，并把信號送入計算機進行處理，就可以得到樣品表面高分辨率的形貌圖像.掃描隧道顯微鏡的原理第18頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 STM的適應(yīng)領(lǐng)域和操作環(huán)境非常寬闊，不管樣品是在真空中、空氣中，還是液體中，STM都可以使其現(xiàn)出原形”。掃描隧道顯微鏡的原理 圖中所示的是在

9、電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態(tài)的一級和二級結(jié)構(gòu)清晰可見。第19頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 首先，STM具有極高的分辨率。它可以輕易的“看到”原子，這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡所難以達到的。我們可以用一個比喻來解釋STM的分辨本領(lǐng)：假如使用STM把一個原子放大到一個網(wǎng)球大小的尺寸，那么就相當(dāng)于把一個網(wǎng)球放大到我們生活的地球那么大.掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點第20頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 其次，STM得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖象。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計算的方

10、法來推算樣品的表面結(jié)構(gòu)。也就是說，STM是真正看到了原子。掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點第21頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 STM的使用環(huán)境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環(huán)境要求比較苛刻，樣品必須安放在高真空條件下才能進行測試。而STM既可以在真空中工作，又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。因此STM適用于各種工作環(huán)境下的科學(xué)實驗。掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點第22頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 STM的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V。無論是物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，還是材料、微電子等應(yīng)用學(xué)科都有它的用武之地。 STM的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講

11、較低。掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點第23頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 STM的問世，為現(xiàn)代科技在微觀領(lǐng)域的突破提供了必要的工具，為納米科技的興起創(chuàng)造了條件。正是為了表彰葛.賓尼和海.羅雷爾發(fā)明掃描隧道顯微鏡而對科學(xué)所做的卓越貢獻，1986年，瑞典皇家科學(xué)院把本年度代表科學(xué)研究最高榮譽的諾貝爾物理學(xué)獎授予了這兩位杰出的科學(xué)家。掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點第24頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 正象任何事物都不是十全十美的一樣，STM也有令人遺憾的地方。STM基于隧道電流的工作原理決定了樣品必須是導(dǎo)體或半導(dǎo)體。而面對世界上大量存在的非導(dǎo)電材料來講，STM顯得無能為力了。掃描隧道顯微鏡的不足第25頁，共26頁，2022年，5月20日，15點3分，星期二 目前除了隧道顯微鏡（STM