2.1 扫描隧道显微镜的特点
(1)具有原子级高分辨率.STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0
.01nm,即可分辨出单个原子.(2)可实时地得到在实空间中表面的三维图像,用于具有
周期性或不具备周期性的表面结构研究.这种可实时观测的性能还可用于表面扩散等动
态过程的研究.(3)可观察单个原子层的局部表面结构,而不是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,甚至可将样品浸在水和
其它溶液中,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、超导机制、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(Scanning Tunneling Spect
roscopy),可得到有关表面电子结构的信息,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.
2.2 扫描隧道显微镜的结构
对于一台能够稳定运行的仪器,在设计时必须考虑诸多因素,解决许多技术问题。例如
,为了达到原子级分辨率,必须保证针尖在样品表面扫描时,具有很高的精度和相对稳
定性;外界振动和电子噪音的隔绝、仪器本身的共振频率、热漂移、用作扫描控制器件
的压电陶瓷材料的滞后和蠕变技术距的表达和处理。
下面从振动隔绝、机械设计、针尖制备等几个方面分类介绍STM。
2.2.1 振动隔绝系统
有两种类型的扰动必须隔绝:振动和冲击,振动一般是重复性的和连续性的,而冲
击则定义为当动能在一个短时间内传递到系统时的瞬态变化。振动隔绝是主要的。
隔绝振动的方法主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。目前实验室常用
的减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂和磁性涡流阻尼等综合减震措施。
STM探头部分放置在一个有多层金属板叠置而成的平台上,每层金属板之间放置三个合成
橡胶制成的小圆柱。平台有两级减震系统悬挂在金属屏蔽箱内或真空室内。橡胶柱主要
用于降低大幅度冲击振动产生的影响。
STM仪器结构的刚性愈大,对外部减震系统的要求就愈低。因为有刚体的固有结构阻尼产
生的滞后损失可以有效的散逸外界的振动。压电陶瓷扫描器的共振频率、螺丝的固紧程
度、粘接剂的刚性、接触点的状态、弹簧连结处的松紧等诸多因素都会对STM探头的刚性
产生重大的影响。
2.2.2 机械设计
在理想的STM的机械设计中,应满足下列要求:
(1) 在z方向的伸缩范围至少为1um,精度约为0.001nm.
(2) 在x和y方向的扫描范围至少为1um*1um,精度应在0.01nm左右。
(3) 在z方向机械调节的精度应高于0.1um,其精度至少应在压电陶瓷驱动器z方向长度
的变化范围内,这个变化范围由驱动电压和压电陶瓷材料的压电系数所决定。机械调节
的范围应在1mm以上。
(4) 能在较大的范围内选择感兴趣的区域扫描。
(5) 针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定性,即具有较高的机械共振频率。
对于在真空条件下使用的探头,要考虑所用材料、粘接剂等的挥发度,在不破坏真空条
件下更换针尖、样品和样品处理操作的方便性等。在低温条件下使用的探头,要考虑探
头的体积、减震措施、在低温条件下所用材料性能的变化。
2.2.2.1 压电陶瓷
目前普遍使用压电陶瓷材料作为x、y、z扫描控制器件。压电陶瓷材料不同于压电晶体之
处在于:他必须经过极化处理后才具备压电特性。
STM中常用的压电陶瓷材料有三种形状:条状、双压电陶瓷片和管状如图所示
当在3方向施加电压V时,压电陶瓷片产生沿1方向的平移。平移的幅度遵循下式:
在厚度t方向的应变由下式表示:
d为特定材料的压电系数。压电陶瓷在3方向厚度的改变仅仅与所加的电压有关。因此,
图中所示的层式组合能分别提供沿厚度方向和长度方向较大的位移。
双压电陶瓷是由两片压电陶瓷中间夹有一层金属片构成。当一端固定时,在外加电场条
件下,他向一侧弯曲。端部位移可达100um。但双压电晶片允许的负载相对较小。而且这
种方式的共振频率低。
管状材料对壁厚的均匀性要求较高。否则容易弯曲。
2.2.2.2 三维扫描控制器
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三角架型、单管型和十字架配合单管型等
几种。STM最早使用的是三角架型:由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方
向结合在一起。STM针尖放在三脚架的顶端。结构如下:
单管型的陶瓷管外部的电极分成面积相等的四份,管子内壁为一整体电级,在其中一块
电极上施加电压,管子的这一部分就会伸展或收缩,这导致陶瓷管向垂直于管轴的方向
弯曲。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。如下图:
十字架配合单管型的扫描控制器采用十字型压电陶瓷材料,z方向的运动由处在十字型中
心的一个压电陶瓷管完成。X和y扫描电压以大小相同。符号相反的方式分别加在一对x、
-x和y、-y上,如下图所示。这种结构是一种互补结构,可以在一定程度上补偿热漂移的
影响。