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1、2010-1-4 近代物理实验论文扫描隧道显微镜实验07300300094 材料科学系李旭晏摘要：本实验运用 NanoFirst-1000型扫描隧道显微镜来观察一维及二维光栅样品，并探讨各参数即积分增益、比例增益和扫描角度对扫描图像的影响。关键词：隧道效应扫描隧道显微镜针尖制备一维光栅二维光栅积分增益比例增益扫描角度一、实验原理1. 隧道效应扫描隧道显微镜的原理就是基于量子力学中的隧道效应。在经典物理中，当粒子的能量 E 小于前方势垒的高度 V 时，它是不可能穿越此势垒的，即透射系数为零。但在量子力学的计算中，透射系数并不等于零，如图 1。也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这一现象就称
2、为隧道效应。其中，透射系数为：式中， E 为粒子能量，V0 为势垒高度，a 为势垒宽度， m为粒子质量。可见，随着势垒宽度a 的增加， 透射系数T 是成指数衰减的。这也就是宏观实验中为何观察不到隧道效应的原因。 而随着 a 的减小， 透射系数 T 将会急剧增大， 直到我们可以观察到隧道效应。 而扫描隧道显微镜正是应用了这一点。 若将针尖与样品表面作为两个电极， 那么当它们之间的距离足够小（通常小于1nm）时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极。穿越势垒的电子的定向移动就形成了所谓的隧道电流。隧道电流的大小为：式中，Vb 为加在针尖与样品之间的偏置电压，S 为针尖
3、与样品表面之间的距离， 为针尖与样品的平均功函数，A 为一常系数，在真空条件下，A=1。由上式可知， 隧道电流I 与针尖与样品表面之间的距离S 是一一对应的。 通过隧道电流I 的变化，便可以得出样品表面高低起伏的形貌信息。如果同时对X、Y 方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。这就是STM 工作的基本原理。2. STM工作模式STM 共有两种工作模式，即恒高模式和恒流模式。恒高模式，顾名思义，就是高度恒定，即针尖和样品的高度始终保持不变。示意图如图2. 随着样品表面的高低起伏，隧道电流的大小也将相应变化。通过记录隧道电流的变化便可以得到样品的表面形12010-1-4 近代物理实验论
4、文貌信息。但恒高模式存在较大的弊端。 由于针尖和样品的高度都是固定的，如果样品表面起伏过大，很容易撞针。恒流模式就克服了这一缺点。恒流模式下，隧道电流的大小是恒定的。根据上述公式可知，要保证隧道电流的大小恒定，就要使得针尖与样品表面之间的距离恒定。若先给隧道电流设一个初始的恒定值，当样品表面有起伏时，瞬时隧道电流就会相应减小或者变大，与设定的初始值就会有一定的误差。控制系统通过这一差值来计算相应的针尖应该调整的高度以保证隧道电流恒定，然后反馈到控制器上，从而控制针尖高度的变化。如果将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在显示器上显示出来，也就得到了样品表面的形貌图。示意图如图 3。而具体的控制过程是
5、用由压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器实现的。所谓的压电现象是指，某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。 许多化合物的单晶都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，它能将电压信号转换成纳米级的位移，从而满足我们实验的高精度要求。目前， STM 常用的是单管扫描器。图4 为扫描器的截面图。陶瓷管内壁为一整体电极，外部的电极被分为面积相等的四部分，在其中任一部分电极上施加电压，这一部分就会伸长或者收缩。若在相对的两部分电极上施加相反的电压，便会使管壁一侧膨胀，另一侧收缩，从而导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲，如图 5。通过在两组相对的电极上
6、都施加电压就可以实现在陶瓷管在 X 、Y 方向的相互垂直移动，从而实现在一定范围内对样品的扫描。控制器对针尖高度的控制是由Z 轴方向实现的。 在陶瓷管内壁电极施加电压，就会使陶瓷管整体实现伸长或缩短，从而控制针尖高度的变化，如图6。图 7 便为扫描主体部分的示意图。当然，这里的示意图显示的是压电陶瓷与针尖相连，控制针尖的运动轨迹。 同理，也可以保持针尖高度不变， 通过三维扫描控制器控制样品的运动轨迹得出样品表面形貌图。具体本实验中使用的是恒流模式， 且压电陶瓷扫描管装在样品下方，即控制样品的运动轨迹。二、实验内容1. 针尖的制备22010-1-4 近代物理实验论文针尖是 STM 技术中应首要解
7、决的问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性对实验影响很大。 如果能够制备出尖端只有一个稳定的原子的针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图像。否则，就会出现所谓的多针尖效应， 严重影响扫描图像的质量。目前，针尖制备中常用的方法主要有两种，即机械成型法和电化学腐蚀法。用铂铱丝制备针尖时常用机械成型法，操作方法非常简单。左手持钳子夹紧铂铱丝，使其露出几毫米的长度，右手持剪刀，并使刀口与铂铱丝成一个很小的角度。缓缓合上剪刀，但感觉到刀口刚好要碰到铂铱丝时，一边向下拉钳子，一边合上剪刀，便可以剪出一个很细的尖端。制得的针尖如图8 所示。由于是用剪刀沿一个小角度直接剪切而成的，所以针尖
8、尖端成斜锥状。虽然形状不够理想，但这种操作方法简单易行，而且制得的针尖一般也都满足实验的精度要求，所以是实际中最常用的方法。用钨丝等金属丝制备针尖时常用电化学腐蚀法。因为钨丝很脆，直接剪切的话，尖端很容易碎裂。如图9所示，实验装置主体为一铂丝圈及原材料钨丝。将钨丝穿过铂丝圈并在上端固定。 用玻璃片蘸取氢氧化钠溶液涂抹在铂丝圈上， 使出现完整的液膜。 在钨丝和铂丝圈这两个电极上加直流电压， 则实验装置相当于一个电解池，钨丝与氢氧化钠溶液液膜接触的地方就会发生电化学反应。钨丝被逐渐溶解变细，当细到无法承受下部的重量时，下半段钨丝就会脱落，同时，由于重力的作用拉出一个很细的尖端。这样制得的针尖形状比
9、较理想，尖端为圆锥状，如图10 所示。但这种操作方法相比而言过于复杂，而且制得的钨丝针尖尖端容易氧化，利用率低，会造成不必要的浪费。2. 对光栅样品的扫描以下是对两个样品扫描的结果。图 11 为一维光栅， 实验参数设置为： 扫描范围 2000nm，高度显示 100nm，电流显示 40nA，扫描角度 30°，积分增益 10，比例增益 10。图 12 为二维光栅， 实验参数设置为： 扫描范围 4000nm，高度显示 90nm，电流显示 40nA，扫描角度 0°，比例增益 10，积分增益 10。32010-1-4 近代物理实验论文3. 探究扫描角度对扫描图像的影响图 13 为在实
10、验参数设置为：扫描范围2000nm，高度显示 100nm，电流显示 40nA，比例增益 10，积分增益 10，扫描角度分别为 30°和 108°时的一维光栅样品扫描图像。为便于比较，特地选取相同的视角，以便观察。由上图可见，扫描角度设置的不同， 会导致扫描的视角不同。 由此可知，当扫描图像效果并不十分明显时，可以适当调整扫描角度值。4. 探究积分增益与比例增益对扫描图像的影响这两个参数的作用主要是调节系统反馈速度。积分增益与比例增益越大， 反馈速度越快。如果积分增益和比例增益过小， 会导致针尖的移动速度过慢， 扫描到的图像会出现拉线现象，不能反映样品表面的真实情况。 甚至如
11、果样品表面有台阶， 会导致撞针。 但如果积分增益和比例增益过大， 则会引发共振现象。 所以，理论上， 这两个参数的设置原则应为在不引起共振的前提下尽量大。图 14、15、16 均为高度显示为 100nm、电流显示为 40nA 时一维光栅的扫描图像。图 14 的积分增益与比例增益均为 10，图 15 的积分增益与比例增益均为 200，图 16 的积分增益与比例增益均为 2。42010-1-4 近代物理实验论文从图 15 及图 16 中可以清晰地观察到共振现象及拉线现象，这就验证了之前的观点。下面来具体分析究竟是哪一个参数起到了决定性的作用。保持其他参数不变，在积分增益为200、比例增益为10 的
12、条件下扫描得到图17，在积分增益为 10、比例增益为 200 的条件下扫描得到图 18。将图 17、 18 与 14、 15 比较可得，引起共振现象的主要因素是积分增益。保持其他参数不变，在积分增益为2、比例增益为10 的条件下扫描得到图19，在积分增益为 10、比例增益为 2 的条件下扫描得到图 20。将图 19、 20 与 14、 16 比较可得，引起拉线现象的主要因素是积分增益。由此我们得出的猜想是积分增益对实验结果的影响要大于比例增益。但由于参数变化的范围有限，至于此结论在更大的范围内是否适用，就有待于进一步的研究验证了。致谢：谨对近代物理实验的任课老师姚红英老师以及我的实验搭档胡丁力
13、同学对我的指导和52010-1-4 近代物理实验论文帮助表示由衷的感谢参考书目：NanoFirst-1000扫描隧道显微镜使用指南上海环拓广电科技有限公司2000.10扫描隧道显微术及应用，白春礼，上海科学技术出版社，1998扫描隧道显微学引论， 【美】陈成钧，中国轻工业出版社，1996电子束离子束技术，赵玉清，西安交通大学出版社，2002三级物理实验，陈德彝张甫宽沈金洲，科学出版社，2006近代物理实验课程教材实验三十六扫描隧道显微镜的原理及其应用，湖南师范大学近代物理实验室金泽渊， 2004.8扫描隧道显微镜的原理和应用， 张善涛 洪毅 朱宏达 马健行 臧文成， 自然杂志 21 卷 6 期， 19996