Docstoc

第 五 章 STM仪器及其应用

Document Sample
第 五 章 STM仪器及其应用 Powered By Docstoc
					    第 五 章
          




 STM仪 器及其应 用


 章海军 张 冬仙
  (2012. 02. 27)
Outline

5.1 Introduction

5.2 STM System

5.3 STM Applications

5.4 STS

5.5 Build a STM by yourself
5.1 Introduction
      The scanning tunneling microscope (STM) is 
the most powerful type of microscope ever built.


         0.2 mm                    0.1 nm


                      308年
        光学                      扫描隧道
       显微镜                       显微镜

       1674年                     1982年
  瞧一瞧原子的模样
《钱江晚报》2008年2月20日C8版
       The world’s first STM was invented by Gerd K. 
Binnig and Heinrich Rohrer in 1982 at the IBM 
Research Laboratories in Zurich, Switzerland.




     图5.1  The first STM in the world(1982)
    G. Binnig, H. Rohrer
    Scanning Tunneling Microscopy
    Helvetica Physica Acta
    1982, 55 (6): 726-735. 

                                    10/98
The STM acquired the first images of individual 
               surface atoms 




    图 5.2  The first STM image of silicon atoms
G. Binnig, H. Rohrer.  
7×7 Reconstruction on Si(111)  resolved in  
real space
Physical Review Letters, 1983, 50: 120–123. 


G. Binnig. 
Surface studies by scanning tunneling microscopy
Physical Review Letters, 1982, 49: 57.
5.2  STM 仪器系统(Instruments)

      For the work of STM, Binnig and Rohrer 
were awarded a Nobel Prize in Physics in 
1986. Since the invention of STM in 1982, a 
great number of versions of STMs have been 
developed and used by research groups at 
universities and industrial laboratories 
throughout the world.
5.2.1 STM系统的结构




     STM之一(第一台STM)
图 5.3  An STM system operating in air
图 5.4  An STM system with UHV chamber
Despite of the difference among 
these STM systems that are 
designed, built and operated in 
different ways, the basic concept 
and the main structure of them 
are approximately the same.
STM系统的简化示意图 (Binnig & Rohrer)
STM系统的简化示意图 (Binnig & Rohrer)




                                20/98
STM系统的简化示意图
STM系统的简化示意图
     F Computer
        Image display;                  F Electronic circuits
        Scan control;                     Scanning; 
        Feedback control;                 Feedback control;
        Positioning;                      Positioning control
        Data storage




                            F Probe
                                 unit
F Amplify/Process
  Measuring tunneling 
  Current;
  Controls bias voltage



       F Vibration
            Isolation                                  F Positioning
5.2.2 针尖制备 (Tip preparation)
       The tip is the trickiest part in the STM experiments. 
It needs a small curvature to resolve coarse structures. 
For atomic resolution, a nanotip with a one-atomic-end 
is necessary. STM tips are typically made out of 
tungsten, platinum or platinum-iridium wires.




                                   图 5.7  Pt-Ir wires for 
                                   preparing STM tips
Which tip is better or the best ?
Which tip is better or the best ?
                  5-1
                                                   0.25 mm×1m
                                                     = 500 元
²  STM针尖的分类
              
                                 钨丝针   尖 (tungsten , W):适用于真空
      按材料分 
                           铂 —铱针 尖 (platinum-iridium, Pt-Ir)
             

                           多重针 尖 (multi-tip or mini-tip)
      按结构分
                           单 原子针 尖 (nano-tip)
单原子针尖——针尖只有一个原子 
多重针尖——针尖有多个原子 




                 原子图 像? 
                 原子图 像? 
                  OK ! !
                  OK ! !
       S  
原子图 像? 
原子图 像? 
 OK ! !
 OK ! !




     30/98
Multi-tip
Multi-tip




            30/94
       STM tip preparation
       STM tip preparation

F Mechanical cutting and grinding

                             DC etching
F Electrochemical etching
                             AC etching

F Field evaporation:  preparing nano-tip 
²  Mechanical cutting
²  Mechanical cutting


                                 e


                Mini-tip                 b       Mini-tip

                                                   a


                                             b

                                     d




 图 5.8  Pt-Ir tip made by mechanical cutting
  ²  DC etching
  ²  DC etching
                                       形状类 似于
        钨丝针尖的制备                     光纤 探针 、毛细 管探针


                     W   不锈钢环




              NaOH


图 5.10  A setup of DC electrochemical tip etching
In DC electrochemical etching, the tungsten (W) wire is 
put into 2M NaOH (Sodium hydroxide) solution and 
kept on a positive potential towards a counter electrode. 
The etching process takes place predominately on the 
surface of the solution. When the neck is thin enough,
the wire fractures due to its weight. 




图 5.11  STM tips prepared via DC electrochemical etching
  ²  AC etching
  ²  AC etching
       In AC method, 10% potassium hydroxide solution 
                                 
is used with 10~20V AC bias to etch 0.2~0.5mm 
diameter tungsten wire. The typical current is 2~3A. 
The side of the wire will etch more quickly than the 
bottom, causing the wire to “neck” into a sharp tip 
shape. The aspect ratio can be controlled by the 
exposed length of wire to the solution and the time 
that the applied voltage is shut off. 
      AC Etching is another more elaborate way of 
constructing a tip for the STM. However, if performed 
careful, the AC etching method can provide even 
higher resolution.
铂铱合金丝针尖的制备




             40/98
 ²  Field evaporation 
 ²  Field evaporation 

      To further make a nano-tip from mini-tip 
prepared via cutting or electrochemical 
etching, the field evaporation method is 
introduced. The basic principle of this method 
is to do tip-sharpening during tunneling. We 
first bring the W tip and the sample into a 
tunneling state. The bias voltage U is then 
suddenly increased 
to about -7V (at the sample) for 2~4 scan lines. 
        By this treatment some W atoms may walk 
       By this treatment some W atoms may walk 
 to the tip apex due to the non-uniform electric 
to the tip apex due to the non-uniform electric 
 field, and finally form a nano-tip. 
field, and finally form a nano-tip. 



                       Mini-tip U                                                  nano-tip
     ~1 nm
                        Sample


            (a)                                                              (b)

图 5.13  Preparation of nano-tip via field evaporation method
5.2.3  样品制备 (Sample preparation)
     Graphite is a layered material. It is made of
large plates of carbon which have weak bonds
holding the layers together. These weak bonds are
represented by dashed lines in the figures below.
In order to expose a layer of graphite it needs to be
cleaved. Cleaving is a very simple process where
you stick a piece of scotchtape to the surface of
the graphite,and pulls up the top layer of graphite
leaving a flat surface below. It also removes any
impurities on the surface.
                  解理 Cleave




HOPG (Graphite)        Graphene
石墨烯(Graphene)
石墨烯(Graphene)
50/98
2010年诺贝尔物理学奖获得者(英国曼彻斯特大学)



                     荷
                     兰
                     奈
                     梅
                     亨
                     大
                     学


安德烈–海姆(德、俄、荷1958-)       康斯坦丁–诺沃肖洛夫(1974-)
     Andre Geim            Konstantin Novoselov
Left: SEM micrograph of a single-electron transistor  
         based on a graphene quantum dot. 
Right: Schematic of a hypothetical transistor based 
         on a very small graphene quantum dot. 
      Andre Geim, 2008, Science 320: 356
 1. L. A. Ponomarenko, …S. Novoselov, A. K. Geim. Chaotic 
1. L. A. Ponomarenko, …S. Novoselov, A. K. Geim. Chaotic 
     Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots. Science, 2008, 320: 
    Dirac Billiard in Graphene Quantum Dots. Science, 2008, 320: 
     356-358. 
    356-358. 
 2. R. R. Nair, … K. S. Novoselov, A. K. Geim. Fine Structure  
2. R. R. Nair, … K. S. Novoselov, A. K. Geim. Fine Structure  
     Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science, 
    Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science, 
     2008, 320: 1308-1308. 
    2008, 320: 1308-1308. 
 3. K. S. Novoselov, … A.K. Geim. Room-temperature quantum  
3. K. S. Novoselov, … A.K. Geim. Room-temperature quantum  
     Hall effect in graphene. Science, 2007, 315(1379): 1379-1379. 
    Hall effect in graphene. Science, 2007, 315(1379): 1379-1379. 
 4. J. C. Meyer, A.K. Geim, K.S. Novoselov. The structure of 
4. J. C. Meyer, A.K. Geim, K.S. Novoselov. The structure of 
     suspended graphene sheets. Nature, 2007; 446: 60-63. 
    suspended graphene sheets. Nature, 2007; 446: 60-63. 
 5. A. N. Grigorenko, A.K. Geim. Nanofabricated media with 
5. A. N. Grigorenko, A.K. Geim. Nanofabricated media with 
     negative permeability at visible frequencies. Nature, 2005, 
    negative permeability at visible frequencies. Nature, 2005, 
 438: 
438: 
     335-338. 
    335-338. 
 6. K. S. Novoselov, A.K. Geim. 2D Gas of  Massless Dirac 
6. K. S. Novoselov, A.K. Geim. 2D Gas of  Massless Dirac 
     Fermions in Graphene. Nature, 2005, 438: 197-200.
    Fermions in Graphene. Nature, 2005, 438: 197-200.
 7. Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Subatomic movements of a 
7. Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Subatomic movements of a 
     domain wall in the Peierls potential. Nature, 2003; 426: 812- 
    domain wall in the Peierls potential. Nature, 2003; 426: 812- 
中国的石墨烯热(2011.02)
5.2.4  扫描与反馈控制器(Scanner)

螺旋测微器、电控微动台?
螺旋测微器、电控微动台?
1. PZT ~ Pb(Zr, Ti)O3 ~ Piezoelectric element 
        图中所示为一压电陶瓷片,P为极化方向,当如
图中所示加上与极化方向相同的电场方向时,其沿t方
向会伸长 Dt=d33V,沿l方向收缩 Dl=d31V(l/t) ,如果
将电场方向颠倒,则在t方向上为收缩,l方向上为伸
长,收缩与伸长量不变。

                          收缩

                                        +


         t        P
                                       -
                      l
      +



Stack PZT


      —
            —



Tube PZT
            +
2. Tripod 
      The tip is controlled by three orthogonal piezos, two 
for XY scanning and one for Z feedback controlling. 




                                     tip




        图 5.14  A tripod scanner and feedback controller 

                                                            60/98
3. Single tube scanner 
      A cylinder, made out of piezo elements and covered 
with metal, serves as the scanner. The outer electrode is 
divided into four sectors. 




             图 5.15  A single tube scanner
5.2.5  进给机构(Coarse Positioner)
     1. Mechanical positioner
         The tip approaches the sample with the help of  
         springs, de-magnifier and micro-screws,etc. 
     2. Louse 




 图 5.16  Mechanical Positioner                    图 5.17  Louse
3. Beetle
       The Beetle consists of a plate with three 
piezoelectric tubes, standing on a cylindrical ramp. 
The sample is mounted in the middle of the ramp 
whereas the tip with the fine positioner is mounted on
the plate. 




                                      图 5.18  Beetle 
4. Inchworm actuator
      To bring the reference unit into tunneling 
controlled state, an inchworm actuator can be applied 
to position 
the probe tip. 




                                          Inchworm 
                                          actuator
5. Impact drive mechanism 
       The movement sequence of impact drive mechanism 
(IDM) is shown in Fig.5.20. 




        图 5.20  The principle of impact drive mechanism
5.2.6  控制电路(Electronic circuits)
                                 Vref
                           ƒ                            †

                      It    前置          比较
                                   -    放大器
                           放大器
               Tip
                  Sample
                                   „
                                                   It
                      VZ   高压
                                        积 分器
  ‚   Scanner              放大器
                Feedback                                A/D
                                               Z
                                                         &
                            …                           D/A
  Scan
                  VX                           X
                           高压           放大器
                           放大器
                  VY                           Y


                                                              65/94
                                      Scheme of pre-amplifier of STM
                                      Scheme of pre-amplifier of STM

                                                               R2=9R1
A=10–9×107 ×10
                             = 0.1 V/nA
                              




                                                      C   金属
                                                                        D
                                                                              ?
                                                          封装
                                                      B


                                               10MW



                                                                            70/98
5.2.7  防震(Vibration isolation)




             图 5.22  Vibration isolation for STM
        50万欧元 =  550 万元人民币




STM system with UHV chamber at Zhejiang University
STM仪器小结
5.3  STM在原子图像检测与微纳测试中的应用


              大气环境
              大气环境

  STM适用于
  STM适用于       真空中
               真空中

              液体环境
              液体环境
1. Si(111)-7×7
      Before the invention of STM it was known that the 
surface unit cell of Silicon is constructed of 49 Si(111) 
original cells. 




  图 5.26  STM images of Si(111)-7×7 with positive (left) and 
                  negative (right) bias.
5-2


高
温
下
Si
原
子
晶
格
的
重
构

      75/94
2. Au(111)
      When the first Au(111) STM images with atomic 
resolution were taken,some features had already been 
known or assumed by LEED experiments.




                                    图 5.28  Atomic 
                                    resolution image
                                    of Au(111)
3. HOPG       高定向热解石墨
      Highly oriented pyrolytic graphite or HOPG is not 
only one of the most commonly used STM substrates, 
but also an ideal atomic scale. 




                               5-3


                                                           80/98
                            Z向尺度的非线性         5-4




图 5.30  STM images of HOPG and Xe lattices
STM image of C(4×2) at -139°C
4. STM image of SO42- on Cu(111) 
5.Mica    云母
6. Atomic steps
7. Standard gratings    5-5
8. Carbon nanotube 
9. Nano-materials    5-6
10. Biological specimen---DNA




                                90/98
5.4  扫描隧道谱(STS)
       By measuring the dependence of the 
tunneling current on the tip-surface gap or the 
bias voltage, spectra containing information 
about the work function or density of states on 
the surface can be obtained. Furthermore, 
because tunneling only occurs over an area 
<1nm2 on the surface, such spectra reveal these 
properties on an atomic scale. 
  隧道电 流: It µ Vbexp(-AÖF S)                

F  Vb一定时: It ~ S 的关系—图像
F   It 一定时:Vb~ S 的关系曲线
F   S 一定时: It ~Vb的关系曲线
F  其他关系曲线
Characteristics of STM 
Characteristics of STM 
90/94
Rohrer

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:29
posted:11/25/2013
language:Unknown
pages:102