扫描隧道显微镜的工作模式

扫描隧道显微镜的基本成像方式有恒高模式和恒流模式两种。如果样品的表面功函数相同,则这两种基本模式可以反映真实的样品形貌。而实际测量的多数样品都是由不同化学组分构成的,这时因为不同部位表面功函数不相同,扫描隧道显微镜基本工作模式不能得到样品的真实形貌。为消除表面功函数差异引起的测量误差,得到更多的样品表面信息,衍生出了扫描隧道显微镜谱图和功函数成像模式。

1)恒高模式

恒高模式是指扫描隧道显微镜在扫描样品表面过程中,扫描头z方向(垂直方向)电压不变,保持探针水平高度恒定。恒高模式下针尖以一个恒定的高度在样品表面快速扫描,检测的是隧道电流的变化值,隧道电流随着样品的形貌和样品表面电学性能的变化而变化。恒高模式可实现原子级平整表面快速扫描,能快速成像,效率高,采集时间段。恒高模式不需要使用反馈系统,适用于观察动态过程(如化学反应、原子迁移等)。其原理如图8.9所示。但是,由于扫描隧道显微镜对探针与样品间距的变化十分敏感,故若样品表面起伏较大或者样品倾斜,则会严重干扰恒高模式成像,造成成像数据不准确或者探针碰撞损毁。恒高模式只能用于表面形状起伏不大的样品,优点是扫描速度快,减少噪声和热漂移对信号的影响。

图8.9　恒高模式(www.zuozong.com)

图8.10　恒流模式

2)恒流模式

恒流模式即是隧道电流恒定模式,在反馈系统的协助下,通过调节扫描头z方向电压,控制探针与样品间距,在扫描过程中反馈电压不断地调节扫描针尖在垂直方向的位置以维持隧道电流恒定在预设值,实现恒流要求。其原理见图8.10。由于隧道电流大小不变,所以,恒流模式在一定程度上是保持探针与样品之间具有一定的距离,扫描隧道显微镜探针在扫描过程中会随着样品的起伏而调整高度。恒流模式在扫描过程中对探针具有一定的保护作用,适合测量表面粗糙度较大的样品。恒流模式可以高精度的探测不规则表面,可以得到表面形貌的高度值,但其扫描速度慢,效率低。另外,恒流模式对样品表面的某些沟槽不能准确探测,且当样品表面有缺陷时易损害针尖。

恒流模式利用反馈系统调节扫描头z方向电压,通过测量z方向电压的改变得到样品表面形貌图像。正是因为有反馈系统的介入,恒流模式的扫描速度受到反馈时间的限制。如果反馈时间过长,扫描速度很低,这时扫描隧道显微镜系统的机械热力学漂移会对成像准确性造成很大的干扰;如果反馈时间太短,扫描速度相对较快,但是调节探针与样品间距的时间过短,反馈系统来不及将隧道电流调节到预设值,得到的图像实际上并不是真正的恒流模式图像。