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扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜. 钱建强 qianjq@buaa.edu.cn 北京航空航天大学物理实验中心. 实验内容. 背景简介 实验目的及要求 实验原理 实验仪器及设备 实验内容及步骤 注意事项 课堂思考. 背景介绍. 生命科学方面， STM 也已在核酸、蛋白质和酶的结构，生物膜以及超分子水平的生命结构研究中取得了一系列的成果。. 接近自然状态，未完全脱水时 小牛胸腺 DNA 分子 的 STM 图像. 小牛胸腺 DNA 分子 双螺旋结构模型. 背景介绍.

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扫描隧道显微镜

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Presentation Transcript

  1. 扫描隧道显微镜 钱建强 qianjq@buaa.edu.cn 北京航空航天大学物理实验中心

  2. 实验内容 背景简介 实验目的及要求 实验原理 实验仪器及设备 实验内容及步骤 注意事项 课堂思考

  3. 背景介绍 生命科学方面，STM也已在核酸、蛋白质和酶的结构，生物膜以及超分子水平的生命结构研究中取得了一系列的成果。 接近自然状态，未完全脱水时小牛胸腺DNA分子的STM图像 小牛胸腺DNA分子双螺旋结构模型

  4. 背景介绍 STM是SPM家族的第一位成员，在STM 基础上发展起来的利用各种物质针尖获得有关试样表面信息的技术,统称扫描探针显微镜（SPM） 扫描探针显微镜与光学和电子显微镜不同之处在于其不采用任何光学或电子透镜成像，而是利用尖锐探针在样品表面扫描来检测样品性质。SPM的类型众多，不同类型SPM之间的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖-样品相互作用的方式不同。

  5. 背景介绍 随着STM在表面科学和生命科学等领域的广泛应用，相继出现了许多同STM技术相似新型扫描探针显微镜，其中主要有扫描力显微镜(SFM)、扫描隧道电位仪（STP）、扫描热显微镜、扫描电子电导显微镜（SICM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等。他们不仅弥补了STM的某些不足，而且可以在极高分辨率条件下研究不同材料的表面或界面结构。

  6. 背景介绍 SPM基本结构

  7. 背景介绍 SPM应用领域 • 表面原子结构 • 化学反应表面观察 • 吸附结构（催化机理） • 纳米尺度上的电磁力的性质 • 生命现象 • 原子、分子操纵

  8. 背景介绍 • 扫描隧道显微镜（STM） • 扫描力显微镜（SFM） 原子力显微镜（AFM） 磁力显微镜 静电力显微镜 … • 近场光学显微镜 扫描近场光学显微镜（SNOM） 光子扫描隧道显微镜（PSTM） • 扫描近场声显微镜（SNAM） • 扫描热显微镜 • …

  9. 实验目的及要求 观察和理解量子力学中的隧道效应 掌握扫描隧道显微镜的操作和调试 掌握针尖的制备方法和技术 观察样品的表面形貌

  10. 实验原理 当扫描探针的针尖与试样的金属表面非常接近时，其电子云互相重叠，在外电压的作用下产生电子隧道现象，电子会穿越经典条件下不可逾越的势垒，形成隧道电流。隧道电流I 和针尖与试样间的距离Z呈指数关系。

  11. 实验原理 针尖由压电陶瓷驱动沿试样表面作X,Y 扫描时，通过反馈电路来保持隧道电流不变(恒流模式)，那么针尖的Z向高度将随着试样表面的原子结构和电子态的变化而起落，得到反映试样表面形态的显微图像。 若保持针尖高度不变、在同一水平面内运动，取变化的隧道电流为信号来成像，即为恒高模式，该模式更适用于快速扫描和观察原子级的平整表面。

  12. 实验原理 • 能够直接观察到单个原子像的显微镜。横向分辨本领达0.1nm，纵向分辨本领高达0.01nm 特点： • STM得到的是实时的、真实样品表面的高分辨图像。可在原子级分辨率水平上测量材料的表面形貌，使得定域表征材料的表面成为可能。 • 可在大气、真空，甚至液体环境下，无损伤地观察物体表面的际状态（自然状态） • 一般只能观察导体和半导体

  13. 实验仪器 减震系统 粗逼近 扫描架 电子控制单元 针尖的制备

  14. 实验内容及步骤 样品的准备和针尖制备 样品：高定向热解石墨（HOPG）和蒸镀在玻璃上金膜。 针尖：直径为0.5 mm的钨丝，按照作针尖的步骤利用电化学方法做两个针尖。 熟悉控制和处理程序 观察金膜表面 得到石墨的原子分辨像

  15. 注意事项 腐蚀针尖时，注意玻璃器皿 把样品装入STM时，一定压住减震块，以免推动它而扯段连线。 在装针尖之前，先装一个旧的针尖来调节实验中所需的针尖长度。装和固定针尖时也要用手压住减震块。。

  16. 课堂思考 扫描时间和扫描范围有什么关系？ 粗逼近过程中，隧道电流和样品偏压如何设置？ 扫描时间对图像分辨率有何影响？ 如何使针尖变好？ STM观察到的是真正的原子吗 ？

  17. 谢 谢！

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