畢業(yè)設(shè)計(jì)題目掃描隧道顯微鏡（STM）學(xué)生姓名學(xué)號(hào)院系物理與電子信息工程系專業(yè)應(yīng)用物理指導(dǎo)教師二0一一年四月二十九日1目錄一摘要與關(guān)鍵詞2二引言2三STM的工作原理3四STM的工作模式4五基于STM分析石墨樣品表面圖像5六基于STM測(cè)量石墨原子的大小9七結(jié)論102掃描隧道顯微鏡（STM）一摘要與關(guān)鍵字摘要：掃描隧道顯微鏡(STM)的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，它的出現(xiàn)為人類認(rèn)識(shí)和改造微觀世界提供了一個(gè)極其重要的新型工具。本文中我們可以通過(guò)STM對(duì)石墨樣品進(jìn)行掃描，初步分析石墨樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證石墨表層六角環(huán)形結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究石墨烯打好基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：掃描隧道顯微鏡，隧道效應(yīng)，六角環(huán)形結(jié)構(gòu)，石墨烯。ScanningTunnellingMicroscope（STM）AbstractTheworkingprincipleofScanningTunnellingMicroscopeisbasedonTunnelingeffectinquantummechanics。TheemergenceofSTMprovideshumanbeingsaveryimportantnewtooltounderstandandtransformthemicroscopicworld.二引言1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicroscope，簡(jiǎn)稱STM）STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一我們知道，常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。而石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾，石墨烯堪稱是人類已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，它不僅可以開發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、可以制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至還可以用來(lái)制造“太空電梯”纜線。另外，石墨烯還是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料。眾所周知，高頻電路是現(xiàn)代電子工業(yè)的領(lǐng)頭羊，一些電子設(shè)備，例如手機(jī)，由于工程師們正在設(shè)法將越來(lái)越多的信息填充在信號(hào)中，它們被要求使用越來(lái)越高的頻率，然而手機(jī)的工作頻率越高，熱量損耗也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。并且，由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費(fèi)了70-80的電能，而石墨烯則不同，它的電子3能量不會(huì)被損耗。因此，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。本文主要通過(guò)STM初步研究石墨樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)打好基礎(chǔ)。三STM的工作原理微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律遵從量子力學(xué)原理，由于微觀粒子具有波粒二象性。其運(yùn)動(dòng)特征有別于經(jīng)典粒子，如具有一定能量E的粒子沿x軸正方向射向勢(shì)壘0000,UxaUxxxa(1)式中：a為勢(shì)壘的寬度；U0是勢(shì)壘的高度。按照經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)，若0VE，則粒子不能進(jìn)入勢(shì)壘，將被彈回去；若0VE，則粒子將穿過(guò)勢(shì)壘但從量子力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看，考慮到粒子的波動(dòng)性此問(wèn)題與波碰到一層厚度為a的介質(zhì)相似，即有一部分波透過(guò)，一部分波被反彈回去。因此，按照波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋，無(wú)論粒子能量0VE，或0VE，都有一定概率穿透勢(shì)壘，也有一定概率被反射回去。考慮0VE情況，在勢(shì)壘外能量本征方程表示方程為：222d20dEx（0x，xa）(2)它的兩個(gè)線性無(wú)關(guān)解可取為ikxex)(，/2Ek，能級(jí)為二重簡(jiǎn)并，但我們可以根據(jù)入射邊條件來(lái)定解。以下假設(shè)粒子是從左入射。由于勢(shì)壘的存在，在0x區(qū)域中，既有入射波ikxe，也有反射波Rikxe，即ikxikxexRe)(；而在ax區(qū)域中則只有透射波Sikxe，即ikxSex)(。在勢(shì)壘內(nèi)部能量本征方程為：2022d20dUEx（0xa）(3)其通解可取為：xxBeAex)(，/)(20EV。聯(lián)立各式可解得：222222222224)()(kashkashkR，(4)4achkashkkS22222222224)(4(5)可以看出：122RS(6)其中2R表示粒子被勢(shì)壘反彈回去的概率，2S表示粒子透過(guò)勢(shì)壘的概率。式（6）正是概率守恒的表現(xiàn)。由此證明，即使0VE,在一般情況下，透射系數(shù)并不為零。這種粒子能穿透比它動(dòng)能更高的勢(shì)壘的現(xiàn)象，稱為隧道效應(yīng)。正是由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于表面邊界之內(nèi)。即，電子密度并不在表面邊界突然降為零，而是在表面以外呈指數(shù)衰減。衰減長(zhǎng)度約為10。，它是電子逸出表面勢(shì)壘的量度。如果探針和待測(cè)樣品互相靠得很近，那么，它們表面的電子云就可能發(fā)生重疊。如果在兩金屬之間加一微小電壓，那就可以觀察到它們之間的電流J（隧道電流）。JeSATV(7)式中A為常數(shù)S為兩金屬間距離，為樣品表面的平均勢(shì)壘高度。如果S為1。為單位，則A=1，的量級(jí)為eV，因此，當(dāng)S變化1。時(shí)，J呈數(shù)量級(jí)變化，十分靈敏。這樣，當(dāng)探針在樣品上掃描時(shí)，表面上小到原子尺度的特征就顯現(xiàn)為隧道電流的變化。依此，可以分辨表面上分立的原子，提示出表面上原子的臺(tái)階、平臺(tái)和原子列陣，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。四STM的工作模式1.恒流模式利用一套電子反饋線路控制隧道電流I，使其保持恒定。再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，由于要控制隧道電流I不變，針尖與樣品表面之間局域高度也會(huì)保持不變，因而針尖就會(huì)隨著表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，高度的信息就由此反映出來(lái)。本文中我們采用恒流模式掃描石墨樣品。優(yōu)點(diǎn)：可以適應(yīng)樣品表面的較大起伏，獲取的圖像信息全面，顯微圖像質(zhì)量高。缺點(diǎn)：當(dāng)掃描器掃到某點(diǎn)時(shí)，即使隧道電流等于電流設(shè)定值，掃描器還是要等待一個(gè)固定的時(shí)間后再進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的掃描，導(dǎo)致掃描速度較慢；掃到某點(diǎn)時(shí)，如果隧道電流不等于電流設(shè)定值，掃描器在等待一個(gè)固定時(shí)間后，不論隧道電流不等于電流設(shè)定值，掃描器在等待一個(gè)固定時(shí)間后，不論隧道電流值是否等于電流設(shè)定值便函進(jìn)行下一點(diǎn)的掃描，使得該點(diǎn)數(shù)據(jù)為一虛假數(shù)據(jù)；容易受低頻信號(hào)的干擾。52.恒高模式探針以設(shè)定的高度掃描樣品表面，由于表面的高低變化，導(dǎo)致針尖與表面之間的距離時(shí)大時(shí)小，隧道電流值也隨之改變。即使表面只有原子尺度的起伏，也會(huì)導(dǎo)致隧道電流接近數(shù)量級(jí)的變化，這樣就職可以通過(guò)測(cè)量電流值的變化來(lái)反映表面上原子尺度的起伏。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需進(jìn)行反饋電路控制，所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面的快速掃描，能夠捕捉到樣品表面的一些動(dòng)態(tài)變化。缺點(diǎn)：掃描范圍內(nèi)的樣品表面不能起伏太大，否則很容易造成樣品或探針的損壞。五基于STM的石墨圖像分析1階梯掃描將掃描控制面板中掃描范圍參數(shù)設(shè)置為最大,將顯示范圍設(shè)置為10nm左右(一般為2-20nm)其他參數(shù)無(wú)須設(shè)置保持默認(rèn)值,然后進(jìn)行階梯掃描。掃描范圍為500nm,顯示范圍為10nm。在階梯掃描中注意高度曲線和高度圖象的變化。在高度圖象中,顏色的深淺變化代表樣品表面的凸凹變化。顏色越亮樣品表面就越突出,顏色越深表面越下凹。高度曲線下的變化已經(jīng)很直觀反映樣品的平整度。結(jié)合高度曲線的圖象進(jìn)行操作,將掃描區(qū)域選定。圖2-圖7為高序石墨分層臺(tái)階圖象及其相關(guān)分析圖。以下分析是對(duì)圖2的剖析。從圖中得出在高度圖象中,顏色的深淺變化代表樣品表面的凸凹變化。顏色越亮樣品表面就越突出,顏色越深表面越下凹,其表面結(jié)構(gòu)是具有分階層的薄膜。1)在圖3中是對(duì)圖象進(jìn)行階梯分析。在沿垂直于選取線(圖中和選定區(qū)域的兩條黑線垂直的線)的選定區(qū)域作高度平均,圖象的亮暗變化反映樣品表面的凸凹變化,圖中選定的區(qū)域內(nèi)又分為三個(gè)區(qū)域I、II、III,分別與圖中右對(duì)應(yīng)。圖中右圖是對(duì)左圖選定區(qū)域的分析,右圖縱坐標(biāo)表示豎直高度,橫坐標(biāo)表示垂直于選取線的水平距離,中間黃色的線表示選定區(qū)域的高度平均參考線。圖中紅線是選定區(qū)域的平均線,其走勢(shì)反映選定區(qū)域的情況,紅線在平均參6考線以下的表示此區(qū)域在平均高度以下,反之在平均高度以上。從右圖中紅線的走勢(shì)知道,區(qū)域I比區(qū)域II要低一些,區(qū)域II又比區(qū)域III要低一些。A點(diǎn)是平均參考線的平均線的交點(diǎn),說(shuō)明區(qū)域II的某一部分區(qū)域正好與平均參考線等高。說(shuō)明圖象向一邊傾斜,導(dǎo)致這種結(jié)果被檢測(cè)樣品沒(méi)有水平放置。選定區(qū)域的平均線走勢(shì)說(shuō)明薄膜整體從右下向左上傾斜。在紅線中的B處比C處高,說(shuō)明選定區(qū)域在此處有一個(gè)落差,反應(yīng)圖中左圖的區(qū)域II中靠右方的顏色有較亮的b-B部分(凸的部分)變到較暗的C-c部分(凹的部分),這是一個(gè)落差。2)在圖4,圖5中對(duì)圖象進(jìn)行橫截面分析,在圖象上分別用單線和雙線來(lái)任意截取一個(gè)截面。在這兩個(gè)圖中右邊上圖的橫坐標(biāo)表示水平距離,縱坐標(biāo)表示豎直高度,中間黃色的線表示高度平均參考線。截線是任意截取的線,即任意截取切口的輪廓線,看起來(lái)是直線,切口的真實(shí)情況不是直線。如圖4中右圖上圖所示,其走勢(shì)反映切口的情況,向右上方傾斜,切口截面不是直線,而是一條曲折的線,在A處到B處存在一個(gè)較大的落差,在圖上表現(xiàn)為A處的顏色比B處的顏色較亮些。圖中右圖下圖是在一定周期下截取截面切口的線落差大小在功率譜圖上的表現(xiàn),落差大,其功率也大。圖5是雙線分析,任意截取的兩個(gè)切口是不一樣的。參照?qǐng)D4的分析便不難理解其意思了。3)在圖6中是對(duì)圖象進(jìn)行深度分析。把閥值最高峰設(shè)為50%,即設(shè)置一閥值計(jì)算最高峰的質(zhì)心,峰上高于此閥值的點(diǎn)參與計(jì)算,濾波截止波長(zhǎng)因子設(shè)為0.1000nm,在先定的區(qū)域內(nèi)得出峰峰距為0.1360nm,峰數(shù)量為117,最高峰深度為4.2393nm。在圖中右圖從左至右反映出選定區(qū)域從右至左的情況,上圖的橫坐標(biāo)表示水平距離,上圖縱坐標(biāo)表示允許通過(guò)的最高峰的百分?jǐn)?shù),下圖縱坐標(biāo)表示峰值的豎直高度。上圖說(shuō)明在選定區(qū)域里各最高峰峰數(shù)的情況,下圖說(shuō)明在選定區(qū)域里峰值的豎直高度及分布情況。移動(dòng)區(qū)域,以上參數(shù)均相應(yīng)改變。通過(guò)參數(shù)的大小就能夠判斷出選定區(qū)域的平整度。74)在圖7中是對(duì)所掃描得的圖象在三維視角下,移動(dòng)大圓圈中的小方框旋轉(zhuǎn)一定的角度,再移動(dòng)小圓圈改變亮度所得的圖象,對(duì)比原圖(圖中右圖下圖)就很直觀的反映出該薄膜是分層的,表面并非是光滑的。2原子掃描選定掃描區(qū)域后,進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。將掃描范圍設(shè)置為10nm左右,同時(shí)調(diào)節(jié)顯示范圍、掃描速率、比例增益、積分增益,至有清晰的原子圖像出現(xiàn)。若無(wú)清晰的原子圖像出現(xiàn),調(diào)節(jié)掃描速率和旋轉(zhuǎn)角度,旋轉(zhuǎn)角度時(shí)一般以15度一個(gè)階梯進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn),注意圖像的變化,有清晰圖象出現(xiàn)即可。圖8-圖13為高序石墨原子圖象及其相關(guān)分析。以下分析是對(duì)圖8的剖析。得出在高度圖象中,顏色的深淺變化代表樣品表面的凸凹變化。顏色越亮樣品表面就越突出,顏色越深表面越下凹。從圖中可以清楚看出高序石墨原子的每個(gè)原子被六個(gè)原子均勻包圍成六角環(huán)形半層結(jié)構(gòu),如圖中標(biāo)明處就很清楚的看出。1)在圖9中對(duì)圖象進(jìn)行階梯分析。在沿垂直于選取線(圖中和選定區(qū)域的兩條黑線垂直的線)的選定區(qū)域作高度平均,圖象的亮暗變化反映樣品表面的凸凹變化,圖中選定的區(qū)域內(nèi)又分為三個(gè)區(qū)域I、II、III,分別與圖中右對(duì)應(yīng)。圖中右圖是對(duì)左圖選定區(qū)域的分析,右圖縱坐標(biāo)表示豎直高度,橫坐標(biāo)表示垂直于選取線的水平距離,中間黃色的線表示選定區(qū)域的高度平均參考線。圖中紅線是選定區(qū)域的平均線,其走勢(shì)反映選定區(qū)域的情況,紅線在平均參考線以下的表示此區(qū)域在平均高度以下,反之在平均高度以上。從右圖中紅線的走勢(shì)知道,區(qū)域I比區(qū)域II要高一些,區(qū)域II又比區(qū)域III要高一些。說(shuō)明圖象向一邊傾斜,導(dǎo)致這種結(jié)果被8檢測(cè)樣品沒(méi)有水平放置。選定區(qū)域的平均線走勢(shì)說(shuō)明薄膜整體從左上向右下傾斜,原子排列有序,每個(gè)波峰對(duì)應(yīng)著一排原子。2)以圖10,圖11中是對(duì)圖象進(jìn)行橫截面分析。在圖象上分別用單線和雙線來(lái)任意截取一個(gè)截面。右邊這兩個(gè)圖中右邊上圖的橫坐標(biāo)表示水平距離,縱坐標(biāo)表示豎直高度,中間黃色的線表示高度平均參考線。截線是任意截取的線,即任意截取切口的輪廓線,看起來(lái)是直線,切口的真實(shí)情況不是直線。如圖10中右圖上圖所示,其走勢(shì)反映切口的情況,向右上方傾斜,切口截面不是直線,而是一條曲折的線。圖中右圖下圖是在一定周期下截取截面切口的線落差大小在功率譜圖上的表現(xiàn),落差大,其功率也大。圖11是雙線分析,任意截取的兩個(gè)切口是不一樣的。參照?qǐng)D10的分析便不難理解其意思了。對(duì)比圖4圖5知道圖中右圖上圖的線落差大而且平凡,總體呈正弦曲線,只是總體向右上方攀升,每一個(gè)大的波峰對(duì)應(yīng)著一個(gè)原子。3)圖12中是對(duì)圖象進(jìn)行深度分析。設(shè)置閥值最高峰為50%,即設(shè)置一閥值計(jì)算最高峰的質(zhì)心,峰上高于此閥值的點(diǎn)參與計(jì)算,濾波截止波長(zhǎng)因子為0.0100nm在選定區(qū)域內(nèi)分析得出峰峰距