操作的原则的扫描隧道显微镜(STM)

Heinrich Rohrer Gerd k·尼格,IBM苏黎世研究实验室的科学家们在瑞士,被授予1986年诺贝尔物理学奖在扫描隧道显微镜的工作。Binnig和Rohrer被公认为发展中强大的扫描隧道显微镜技术。他们与德国科学家分享这个奖项恩斯特Ruska,设计师的第一个电子显微镜。STM可以形成一个图像单个原子在金属、半导体或其他导电样品表面扫描针的尖端表面的高度只有几个原子直径,这提示和示例之间的隧道电流发生。

主要STM技术是恒流和恒高度模式“地形”数据采集,通过光谱技术“功函数”(势垒高度)和“局部态密度”(ldo)配置文件采集、(z)和我(V)曲线代表的表面化学和电子特征。

恒流和恒高度模式

在STM偏差电压急剧导电提示和导电样品,当样品接近几埃,隧穿电流发生,表明接近顶端的样本具有很高的准确性。在恒流模式(CCM)的操作当扫描样品表面扫描不断当前通过反馈电路。所以垂直位移的扫描仪(反馈信号)反映了表面形貌。STM给真正的原子分辨率甚至一些样品在环境条件。扫描隧道显微镜可以应用于研究导电表面或薄绝缘的电影和小物件沉积在导电基板。CCM的扫描速度是限制使用的反馈系统。更大的扫描速度可以通过使用高度不变模式(CHM),但是CCM允许调查样本与发达解脱。

图1。恒流模式

图2。高度不变模式

STM给真正的原子分辨率的一些样品即使在环境条件。扫描隧道显微镜可以应用于研究导电表面或薄绝缘的电影和小物件沉积在导电基板。

注册的隧道电流的测量是足够小,0.03 nA(特别STM头- 0.01 nA),所以它可以研究出低导电性表面,特别是生物对象。

STM的缺点可以提到的复杂性结果解释对于一些表面自表面图像在STM调查模式不仅取决于地表起伏也态密度的偏置电压信号和价值,当前值等。例如面向高度pyrolitic石墨表面原子只能看到每秒钟。它是关心特殊安排的波函数密度的状态。

势垒高度成像

当地的势垒高度(秉宪)光谱提供了一个信息空间分布的微观表面的功函数,如下所述。

我穿隧电流_T在STM指数衰变tip-sample分离z

我_T~ exp (2 kz),

的衰变常数是哪里

2 k = 2(2μ/ h2)^1/2。

秉宪成像,我们衡量隧道电流的灵敏度tip-sample分离STM图像的每个像素。秉宪获得的方法是所谓的势垒高度明显你定义的

U = 0, 95(1 /我_T)2 (dI_T/ dz) 2

这个你通常比平均功函数U_av= (U_年代+ U_t)/ 2,U_t和你_年代分别提示和示例的工作职能。在许多情况下,实验U并不完全同意_av但往往是略小。然而,众所周知,U是密切相关的当地表面电位(本地功函数),是一个很好的措施。

秉宪图像是通过测量逐点隧穿电流的对数变化对分离的差距的变化,也就是说,斜率的日志我与z。秉宪测量、距离tip-sample由额外的交流调制呈现正弦电压反馈信号的z轴piezodevice附加小费。选择的调制周期是短得多的时间常数比STM的反馈回路。

图3。势垒高度成像

态密度成像

只要在STM测量电流是由隧道过程通过tip-sample表面缺口的价值不仅取决于电子密度上的势垒高度,但州也。因此获得在STM图像样本表面凹凸的不仅仅是图像(地形),这些图片可以不受样品表面电子态密度分布。局部态密度的好例子(ldo)影响的STM图像是众所周知的形象高度面向pyrolitic石墨(石墨)原子晶格。只有一半的原子在STM是可见的。类似的情况是砷化镓原子晶格的形象。

ldo确定也可以帮助区分表面原子的化学性质。ldo收购同时提供了STM图像获取。在扫描偏差电压调制价值dU,选择的调制周期是短得多的时间常数比STM的反馈回路。

合适的调制测量隧道电流的dI,除以dU和ldo的形象。在例子的地形和ldo形象石墨样品。

图4。态密度成像

我(z)光谱

我(z)光谱学与李秉宪光谱和可用于提供一个信息的z-dependence微观表面功函数。下一个重要的使用我(z)光谱学是关心STM的测试质量。

我(V)光谱

在我(V)光谱(或当前影像隧道光谱学,国旅)正常的地形图像得到固定的我_o和V_o。图像中每一点反馈回路中断和偏差电压设置为一系列电压V_我,我穿隧电流_我是记录。然后回到V的电压_o和反馈回路。每个电流-电压光谱可以获得在几毫秒,所以没有明显的漂移在小费的位置。这个过程当前图像生成一个完整的我_我在每个电压V (x, y)_我除了地形图像z (x, y) |_VoIo。

国旅数据可用于计算电流不同的形象

迪_第六,Vj(x, y), V_我和V_j支架一个特定的表面状态,产生一个原子解决,真实空间的表面状态。这种技术,例如可用于特高压图像填充ad-atom州或硅重建的悬空键状态。

这些信息已经采购,审核并改编自NT-MDT光谱仪器提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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