第九章其他显微结构分析方法 第一节扫描隧道显微(STM) 第二节原子力显微技术(AFM) 第三节扫描透射电镜(STEM) 第四节环境扫描电镜(ESEM) 其他结构 扫描探针类显微分析技术P167 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 ■扫描探针显微镜(Scanning probe 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 microscopy,SPM),可以从原子到微米级 别的分辨率研究材料的表面特性。 ■特点：探针，无光源
1 第一节 扫描隧道显微（STM） 第二节 原子力显微技术（AFM） 第三节 扫描透射电镜（STEM） 第四节 环境扫描电镜（ESEM） 第九章 其他显微结构分析方法 2 扫描探针类显微分析技术P167 n扫描探针显微镜（Scanning probe microscopy，SPM），可以从原子到微米级 别的分辨率研究材料的表面特性。 n特点：探针，无光源。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 扫描探针显微镜 1.扫描隧道显微 利用小小的探针接近待测物体的表面进行 2.原子力显微技术 扫描和观测。 3.扫描透射电镜 提供了观察纳米世界的“眼睛”、操纵和 4.环境扫描电镜 制作纳米世界的“手” 其他结构 第一节扫描隧道显微镜 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 ~扫描隧道显微镜是最早的扫描探针显微技术。 3.扫描透射电镜 STM工作原理基于量子力学的隧道（穿）效应。 4.环境扫描电镜 >经典物理学：当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V时， 它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。 按照量子力学：一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说， 粒子可以穿过比它能量更高的势垒，称为隧道效应
2 利用小小的探针接近待测物体的表面进行 扫描和观测。 提供了观察纳米世界的“眼睛”、操纵和 制作纳米世界的“手” 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 4 第一节 扫描隧道显微镜 Ø扫描隧道显微镜是最早的扫描探针显微技术。 ØSTM工作原理基于量子力学的隧道（穿）效应。 Ø经典物理学：当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时， 它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。 按照量子力学：一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说， 粒子可以穿过比它能量更高的势垒，称为隧道效应。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
狮子的能 其他结构 量大于U才 能出来 1.扫描隧道显微 经典理论 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 不好，狮 子出来啦！。 救 命 子理 其他结构 工作原理 1.扫描隧道显微 ■将原子尺度的极细探针（针尖）和被研究物质的 2.原子力显微技术 表面作为两个电极。 3.扫描透射电镜 ■样品与针尖的距离非常接近（接近或小于1nm)时， 4.环境扫描电镜 在外加电场（偏压）的作用下，电子会穿过两个 电极之间的势垒流向另一电极。 10m
3 狮子的能 量大于U才 能出来！ 不好，狮 子出来啦！ 经 典 理 论 量 子 理 论 救 命 U U 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 6 n 将原子尺度的极细探针（针尖）和被研究物质的 表面作为两个电极。 n 样品与针尖的距离非常接近 (接近或小于1nm) 时， 在外加电场（偏压）的作用下，电子会穿过两个 电极之间的势垒流向另一电极。 其他结构 工作原理 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 工作原理 I=GVe-Ekd 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术■隧道电流强度对针尖和样品之间距离()有着指 3.扫描透射电镜 数依赖关系，当距离减小0.1nm,隧道电流增 4.环境扫描电镜 加约一个数量级。 ■隧道电流的变化，可得到样品表面微小的高低 起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描， 可以直接得到三维的样品表面形貌图 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 随道电 超电流放大器 弹首电 弹道电流放大器 注意：样品是导体或半导体！
4 7 I＝GVe -Ekd n 隧道电流强度对针尖和样品之间距离(d)有着指 数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流增 加约一个数量级。 n 隧道电流的变化，可得到样品表面微小的高低 起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描， 可以直接得到三维的样品表面形貌图 其他结构 工作原理 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 注意：样品是导体或半导体！ 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 TUNNEL EFFECT 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 一种放大倍率非常高的显微镜，可以看到物体表面的原 电子遇到绝缘体会被阻挡，就像人遇到了一面墙。但 当绝缘体足够薄以后，量子力学的作用开始突显。 其他结构 1.扫描隧道显微 TUNNEL EFFEC 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 在探针和样品之间加上电压，二者之间的空气就是一堵 墙，如果探针和样品之间足够近，电子就能跳过空气到达样 品上，电路中将会产生电流。 电流的大小和探针样品之间距离有关，根据电流大小可 以反推出距离，从而得出样品表面的高度数据，绘制出一张 显微图像
5 一种放大倍率非常高的显微镜，可以看到物体表面的原 子。 电子遇到绝缘体会被阻挡，就像人遇到了一面墙。但 当绝缘体足够薄以后，量子力学的作用开始突显。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 在探针和样品之间加上电压，二者之间的空气就是一堵 墙，如果探针和样品之间足够近，电子就能跳过空气到达样 品上，电路中将会产生电流。 电流的大小和探针样品之间距离有关，根据电流大小可 以反推出距离，从而得出样品表面的高度数据，绘制出一张 显微图像。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 1.扫描隧道显微 TUNNEL EFFECT 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 首先，为了达到原子级的分辨率，探针针尖必须足够细， 最好尖端只有一个原子. 其次，探针和样品之间距离很近，不到1nm,极其微弱的 热膨胀或者外界振动，有可能使二者接触，导致针尖被撞毁。 最后，如何精准控制探针在平面上扫描。 其他结构 加拿大麦吉尔大学的一位 博士生Dan Berard 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 步骤1-制作探针针尖 3.扫描透射电镜 步骤2-制作减震台 4.环境扫描电镜 步骤3-控制探针 步骤4-软件操作 专业STM:3万美元~15 万美元， 仅花费1000美元左右！ 6
6 首先，为了达到原子级的分辨率，探针针尖必须足够细， 最好尖端只有一个原子。 其次，探针和样品之间距离很近，不到1nm，极其微弱的 热膨胀或者外界振动，有可能使二者接触，导致针尖被撞毁。 最后，如何精准控制探针在平面上扫描。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 加拿大麦吉尔大学的一位 博士生Dan Berard 步骤1-制作探针针尖 步骤2-制作减震台 步骤3-控制探针 步骤4-软件操作 专业STM：3万美元~15 万美元， 仅花费1000美元左右！ 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 步骤1-制作探针针尖 1.扫描隧道显微 STM仪器：隧道针尖结构的影响 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 其他结构 步骤1-制作探针针尖 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 取一根铂铱合金丝或钨丝，用剪线钳斜着剪 断，并且轻轻拉动，获得尽可能细的尖端：
7 13 STM仪器：隧道针尖结构的影响 其他结构 步骤1-制作探针针尖 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 取一根铂铱合金丝或钨丝，用剪线钳斜着剪 断，并且轻轻拉动，获得尽可能细的尖端。 其他结构 步骤1-制作探针针尖 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 步骤2-制作减震台 探针固定在三块钢板上 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 钢板之间用橡胶粘连，然 3.扫描透射电镜 后挂载三根长弹簧上，尽 量降低系统的共振频率。 4.环境扫描电镜 钢板的底部安装了一个 磁铁，当钢板摆动时，磁 铁在下方的铝块上感应出 涡流，涡流又会产生反向 的磁场抑制振动。 其他结构 步骤3-控制探针 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 使用压电陶瓷，材料两端 3.扫描透射电镜 加上电压会伸缩，伸缩量与 4.环境扫描电镜 电压大小和方向有关。 压电陶瓷像三明治一样， 被夹在金属电极之间，给4 Silver electrode 片区域加上不同的电压就能 控制探针在平面上来回移动
8 探针固定在三块钢板上， 钢板之间用橡胶粘连，然 后挂载三根长弹簧上，尽 量降低系统的共振频率。 钢板的底部安装了一个 磁铁，当钢板摆动时，磁 铁在下方的铝块上感应出 涡流，涡流又会产生反向 的磁场抑制振动。 其他结构 步骤2-制作减震台 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 使用压电陶瓷，材料两端 加上电压会伸缩，伸缩量与 电压大小和方向有关。 压电陶瓷像三明治一样， 被夹在金属电极之间，给4 片区域加上不同的电压就能 控制探针在平面上来回移动。 其他结构 步骤3-控制探针 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜
其他结构 步骤4-软件操作 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 金、铂、 石墨等材 料进行扫
9 其他结构 步骤4-软件操作 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 金、铂、 石墨等材 料进行扫 描
其他结构 STM的特点 1.扫描隧道显微 ■具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直于样品表 2.原子力显微技术 面方向（横向和纵向）的分辨率为≤0.1nm和 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 ≤0.01nm,可以分辨出单个原子。 ■可实时得到样品表面三维（结构）图像。 ■可在真空、大气、常温、高温下工作，甚至可将样品 浸在水或淇他溶液中，且不破坏样品： ■样品要求导电。 其他结构 STM应用-原子操纵 1.扫描隧道显微 ●在表面搬动一个原子的过程 2.原子力显微技术 a八针尖/ 针尖/日 3.扫描透射电镜 d 4.环境扫描电镜 八/ Xe 金属衬底 I个，(a)→(b)吸附(c)移位 I↓，(d→(e)放置
10 STM的特点 n 具有原子级的高分辨率。STM在平行和垂直于样品表 面方向（横向和纵向）的分辨率为≤0.1nm和 ≤0.01nm，可以分辨出单个原子。 n 可实时得到样品表面三维（结构）图像。 n 可在真空、大气、常温、高温下工作，甚至可将样品 浸在水或其他溶液中，且不破坏样品。 n 样品要求导电。 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜 STM应用-原子操纵 l在表面搬动一个原子的过程 I , (a) (b) 吸附 (c) 移位 I , (d) (e) 放置 其他结构 1.扫描隧道显微 2.原子力显微技术 3.扫描透射电镜 4.环境扫描电镜