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扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜使研究人员可以通过超高分辨率通过原子来绘制导电样品的表面原子,而无需使用电子束或光,并揭示了近40年来对原子水平上物质的见解。这篇博客文章将提供有关扫描隧道显微镜的高度概述,其工作原理以及如何在研究中应用。

什么是扫描隧道显微镜(STM)?

扫描隧道显微镜或STM是一种成像技术,用于在无需光或电子束的情况下以原子量表获得超高分辨率图像。STM是由两位IBM科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明的。五年后,该发明赢得了诺贝尔物理学奖。

STM是在较大类别的扫描探针显微镜(SPM)成像模式中开发的第一条技术。当时,它允许研究人员比以前的任何显微镜更明显地捕获细节,这一切都可以降低到原子和原子间间距。这种超高的分辨率能力使研究人员可以精确绘制导电材料状态状态的三维形貌和电子密度,甚至可以在这些材料表面上操纵单个原子。在接下来的几十年中,STM彻底改变了纳米技术领域,并继续在各种学科的基本和工业研究中发挥重要作用。

在空气中获得的高度取向热解石墨的扫描隧道显微镜(STM)图像,显示了原子晶格结构

高度取向热解石墨的STM图像(HOPG)
在庇护研究的扫描探针显微镜上在空气中获得,证明了解决原子晶格结构的能力。(5 nm扫描尺寸)

STM如何工作?

STM是在实际应用中利用量子机械工艺(电子隧道)的一个了不起的例子。“隧道”一词是指电子穿越屏障的情况(在这种情况下,尖端和表面之间的微小缝隙)最初似乎应该是不可穿透的,例如将球扔到墙上。描述这种球壁相互作用的物理学称为“古典范式”,球永远不会穿过墙壁。相比之下,电子具有古怪的波浪状特征,使其成为“模糊”云(与球不同),因此它们实际上可以同时存在于屏障的两侧,因此具有非零的概率即使屏障能量高于电子的总能量。

STM通过扫描非常靠近导电样本表面的尖锐导电探针的作用,并迫使电子跨越它们之间的间隙。当尖端足够在表面附近(通常<1 nm之外)时,尖端和表面的第一个原子的模糊电子云开始重叠。在此构型中施加尖端和表面之间的偏置电压会产生电流,因为电子被驱动到通过重叠的电子云从尖端到表面的电势屏障进行隧道。该隧道电流对探针尖端和表面之间的缝隙高度敏感,随着尖端样本距离呈指数变化。当尖端逐行扫描样品表面时,隧穿电流的强度映射了样品的电子密度。

STM以两种不同的模式运行:恒定高度模式恒定电流模式。当样品表面非常光滑时,通常使用恒定高度模式。在此模式下,探针尖端保持在设定的高度,而它迅速在样品中扫描。通过测量隧穿电流的强度的变化,作为(X,Y)位置和偏置电压的函数,研究人员可以构建样品表面状态状态的电子密度,缺陷,前沿分子轨道等。

更流行的模式称为恒定电流模式。在这种模式下,通过使用反馈回路系统来调节尖端和表面之间的距离,隧道电流保持恒定。也就是说,如果隧道电流超过目标值,则反馈控制系统将增加尖端和样品之间的距离。如果隧道电流小于目标电流值,则反馈控制系统将使尖端更靠近样品表面。所得的三维距离轮廓作为(x,y)位置的函数可以帮助研究人员测量各种特征,包括表面粗糙度,缺陷以及表面上分子的大小和构象。

STM可以在各种不同的环境条件下运行。通常,STM被归类为环境STM或超高真空(UHV)STM。环境STM通常在空气或其他室温下在其他气体中运行。借助专门的绝缘尖端,环境AFM也可以在液体中进行操作。bob平台下载手机版牛津仪器庇护研究在我们MFP-3D SPMCypher SPM

UHV STMS显然有所不同,因为它们在非常高的真空下运行。这通常是在高度专业化的UHV系统中完成的,在该系统中,样品被生长或蚀刻然后成像原位。它们在真空中的操作使它们可以在非常宽的温度范围内运行,从零开尔文到超过1000°C。庇护研究不提供UHV STM,尽管牛津仪器纳米科学小组生产bob平台下载手机版UHV设备有时与STM一起使用

STM在研究中有什么用途?

自发现以来,STM一直负责纳米技术的重大突破,并能够在各种学科中进行新的研究,包括半导体科学,电化学,表面化学等。

最初,使用STM来表征不同金属的拓扑并描述其表面的原子结构。研究人员首次能够辨别材料的原子级特性,包括表面粗糙度,缺陷和表面反应机制。通过研究材料的原子晶格,研究人员可以开始理解与电子组件的制造相关的特性,包括电导率,前沿分子轨道及其能量的分布以及对晶体方向方向的反应依赖性,仅举几例。

多年来,STM开始用于原子级成像以外的各种应用。bob综合app官网登录它已被用来组装和操纵表面上的单个原子。这为纳米技术开辟了新的远景,包括纳米结构(例如量子畜栏和分子开关)的产生。也可以通过指定模式将纳米式设备上的触点通过STM构建。研究人员还使用STM诱导化学反应并研究了分子水平的随后的反应机制。

环境STM通常用于研究表面上自组装分子的结构,因为它们通常可以分辨单分子甚至亚分子结构。例如,下图清楚地显示了在Hopg上自组装的单层中5二十一氧基蛋白乙酸的单分子。

在高度取向的热解石墨上的5二十一氧化疾病乙酸的自组装单层的STM图像。

在高度取向的热解石墨上的5二十一氧化疾病乙酸的自组装单层的STM图像。
分子模型被覆盖以强调分子排序。在15 nm扫描的Cypher AFM上成像。样本由诺丁汉大学马特·布朗特(Matt Blunt)提供。

最近,在Cypher ES上使用低电流STM来解决HOPG上镍八甲基孢子蛋白(NIOEP)的自组装层中的单分子水平细节。低电流成像能力可以通过允许STM在低至300个FemtoMAMP的隧道电流下运行来提供更高的分辨率。下图显示了恒定高度的STM图像,但是完整的申请注释在恒定当前STM模式下展示了类似的分辨率。尽管Cypher使用STM提供了出色的分辨率,但值得注意的是使用敲击模式原子力显微镜(AFM)的Cypher实际上可以与该分辨率竞争

恒定的高度STM当前图像Nioep的2D晶格在Hopg上

恒定的高度STM当前图像Nioep的2D晶格在Hopg上
(a)50 nm的调查扫描显示了使用6.4 PA设定点成像的Nioep晶界(白色箭头),变焦区域和Moiré图案。(b)在300 FA设定点成像的10 nm区域。(c)缩放5 nm区域,显示了使用60 PA设定值成像的亚NM分子分辨率。插图:NIOEP的CPK分子模型。

参考

  1. Binnig,G。和Rohrer,H。(1983)。扫描隧道显微镜。表面科学,126(1-3),236–244。
  2. 陈,朱利安。(1994)。扫描隧道显微镜简介:第二版。美国物理学杂志