扫描隧道显微镜
偏置电压上加一脉冲,针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进行刻写操作后一般并未损坏,仍可用它对表面原子进行成像,以实时检验刻写结果的好坏[1]。
移动针尖进行刻写的办法主要有两种
①在反馈电路正常工作时,通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻,达到控制针尖移动的目的。当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作,反馈将控制针尖移向样品,从而减小接触电阻。
②当STM处于隧道状态时,固定反馈线路的输出信号,关闭反馈,然后通过改变控制Z向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距,这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化,相对来说是较为理想的办法。
刻写的结果与针尖的清洁程度有密切关系。已经污染的针尖接触表面后将产生一小坑;未使用过的清洁的针尖接触表面则产生一小丘。清洁针尖在表面上产生小丘的原因是由于它与表面有粘接现象,此时若想使针尖与样品的间距恢复到与表面接触前的情况,针尖必须退回更多,这从另一个角度说明针尖的粘接已使表面产生一凸起部分。针尖的污染将会阻止它对表面的粘接,故使用过的针尖接触表面后将会刻出一个小坑,坑的周围还会有原先在坑内的原子翻出堆成的凸起边缘[1][2]。
室温下在Au及Ag等金属表面上刻写出的微细结构在室温下总是不稳定的,由于金属原子的扩散,这些结构最多在几小时内就会模糊以至消失。
在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上运用STM刻出稳定的结构却是可能的。刻写时,针尖向样品移进2nm时,小坑深(从边缘算起)0.7nm。在室温条件下及超高真空中,这些图形具有高稳定性,经很长时间后亦不发生变化[1]。
STM可在金属玻璃上进行刻写操作,小丘的大小随偏压的增加而增加。产生小丘的原因通常认为是由于高电流密度引起了衬底的局部熔化,这些熔化物质在针尖负偏压产生的静电场作用下,会形成一突起的泰勒锥,电流去掉后,这个锥立即冷却下来,在表面上形成一小丘……并不是所有的表面都可如此形成小丘的。衬底的熔点决定了局部熔化时所需的热量;对于点源电子束,衬底实际获取热量不仅与电流密度有关,还取决于电子在其中的平均自由程及所用衬底的热传导系数;对于无序的金属化玻璃Rh25Zr75,由于电子在其中的平均自由程较晶体及多晶金属小一百倍,且熔点不是非常高,为1340K,因此电子束入射时其获取热量较多,相对较易被熔化,故容易在其上如此形成小丘[1]。
与其他表面分析技术相比,STM具有如下独特的优点
①具有原子级高分辨率,STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达 0.1 nm 和 0.01 nm,即可以分辨出单个原子。
②可实时得到实空间中样品表面的三维图像,可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究,这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。
③可以观察单个原子层的局部表面结构,而不是对体相或整个表面的平均性质,因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置,以及由吸附体引起的表面重构等。
④可在真空、大气、常温等不同环境下工作,样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤.这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价,例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。
⑤ 配合扫描隧道谱(STS)可以得到有关表面电子结构的信息,例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
⑥利用STM针尖,可实现对原子和分子的移动和操纵,这为纳米科技的全面发展奠定了基础[2]。
尽管STM有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点,但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面
①STM的恒电流工作模式下,有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测,与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下,从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针,其针尖半径应远小于粒子之间的距离,才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时,这一点显得尤为重要[3][5]。
②STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性,对于半导体,观测的效果就差于导体;对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层,则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补STM这方面的不足[5]。
此外,在目前常用的(包括商品)STM仪器中,一般都没有配备FIM,因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素[3][5]。





