amsler
第1楼2008/11/05
根据光隧道效应原理,利用光纤探测头、压电陶瓷、光电倍增管、扫描控制跟踪系统和微机,可以构成光隧道显微镜。它可以探测样品的表面形貌。在经典物理中,光在光纤内部全反射,在量子物理中,激光可以从一根光纤内通过隧道效应进入相距很近的另一个光纤内部,分光器就是利用量子隧道效应而制成的。
电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
编辑本段隧道二极管
隧道二极管是一种具有负阻特性的半导体二极管。目前主要用掺杂浓度较高的锗或砷化镓制成。其电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管不同。当某一个极上加正电压时,通过管的电流先将随电压的增加而很快变大,但在电压达到某一值后,忽而变小,小到一定值后又急剧变大;如果所加的电压与前相反,电流则随电压的增加而急剧变大。因为这种变化关系只能用量子力学中的“隧道效应”加以说明,故称隧道二极管。由于“江崎二极管”具有负电阻,并且隧道效应发生速度异常迅速,可用于高频振荡、放大以及开关等电路元件,尤其可以用来提高电子计算机的运算速度。
编辑本段隧道巨磁电阻效应
超导隧道结的发现在理论和实验上均有重要的价值。受此启发Julliere对Fe/Ge/Co磁性隧道结输运性质的研究作了开拓性的研究,发现隧道阻抗随铁磁层的磁化状态而变化,低温下电导的相对变化可达14%。1975年后人们对类似结构中的磁电阻效应进行了研究,但在室温下均不能获得较大的磁电阻效应。在GMR效应全球研究浪潮推动下,1994年在“磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属”(FM/I/FM)型隧道结Fe/Al2O3/Fe中获得了突破性进展。4.2K低温下,磁电阻变化率高达30%,室温下达18%。在这种结构中如果两铁磁层的磁化方向平行,一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态,同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态;如果两电极的磁化方向反平行,则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行,这样,隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态,因而其隧道电导必须与两极的磁化方向平行时的电导有所差别,将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应(magnetic valve effect)。理论上假定电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变,在实际制备过程中由于氧化层生成时难免导致相邻铁磁层氧化,致使反铁磁性的氧化薄层的出现影响磁电电阻效应。所以实验的结果比理论上的预计要小。Julliere模型给出磁隧道阀电阻的相对变化,即隧道磁电阻(TMR)RTM为:
RTM=
式中:ρ1和ρ2分别是两个铁磁电极的自旋极化度。显然,ρ1,ρ2越大,则TMR也越高。
因为Fe和Co的ρ值分别为40%和34%,故Julliere模型可得Fe/I/Co的24%,但Fe/Ge/Co的实验值与理论值有一定差距。在磁隧道阀中,磁场克服的铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转至磁场方向而趋于一致,这时TMR为极小值;若将磁场减小至负,矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转,两铁磁层的磁化方向相反,隧道电阻为极大值。由于只需反转一个单纯的铁磁层,因而只需一个非常小的外场便可实现TMR极大值,所以其磁场灵敏度极高。Fe/Al2O3/Fe 和CoFe/Al2O3的磁场灵敏度分别为8%/Oe和5%/Oe。这些结果是多层膜的GMR及氧化物的CMR远所难及的。另外,在磁隧道结中可以通过改变氧化层的厚度来改变零场下的电阻值,而磁隧道结电阻值并不因此而改变的。这在金属多层膜中是很难实现的。这样根据不同的器件的驱动电压不同可以设计出不同的磁隧道结。今后如能解决氧化层的稳定制备和制备过程中铁磁层的氧化问题,其工业应用前景非常可观。此外如果技术手段可以保证的话,制备多层氧化隧道结也许可以获得更为丰富的物理效应和应用价值。隧道结的磁电阻效应取得了突破之后,人们受颗粒膜的启发又在Ni-SiO2, Co-SiO2, Fe-MgF2以及Fe-SiO2的铁磁绝缘物颗粒膜中发现了高的磁电阻效应。实验表明该体系中磁电阻效应与磁性颗粒的大小有关,数值不大,饱和场较高,应用的前景可能不大。
编辑本段宏观量子隧道效应
各种元素的原子具有特定的光谱线,如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释,由无数的原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的,从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别,对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化,光谱线会产生向短波长方向的移动,这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此,对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应,原有宏观规律已不再成立。
电子具有粒子性又具有波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理量,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应,称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础,或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而溢出器件,使器件无法正常工作,经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
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第2楼2008/11/05
什么是扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope--SPM)?
SPM是一个大的种类,目前,SPM家族中已经产生了二三十种显微镜,如扫描隧道显微镜STM)、原子
(力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、近场光学显微镜(SNOM)等等。
SPM的工作原理是基于微观或介观范围的各种物理特性,通过原子线度的极细探针在被研 究物质的表
面上方扫描时检测探针—样品两者之间的相互作用,以得到被研究物质的表面特性,不同类型的SPM之间
的主要区别在于它们的针尖特性及其相应的针尖----样品相互作用方式的不同。
扫描隧道显微镜模块:
STM(Scanning Tunneling Microscope的简称)的工作原理来源于量子力学中的隧道效应原理。
当金属探针在与导电样品非常接近时(小于1nm),控制探针在样品表面进行逐行扫描,检测探针与样
品间隧道电流的变化来获取样品表面形貌、I-Z、I-V曲线等其它特性。
由于要在探针和样品间产生并传输隧道电流,所以只能检测导电 样品。
什么是原子力显微镜(Atomic Force Microscope -- AFM)?
AFM是SPM最重要的发展。它控制一个微悬臂探针在样品表面进行逐行扫描,当探针在与样品非
常接近时(小于1nm),由于两者间原子的相互作用力,使对微弱力极敏感的微悬臂发生偏转,再
通过光杠杆作用将微小偏转放大,用四象限光电探测器检测,以获取样品表面形貌和其它物理、化
学特性。AFM按照其成像模式和检测信号的不同,有多种不同的工作模式,适用于不同性质的材料.
样品。
由于AFM对样品没有导电性的要求,应用范围十分广泛,弥补了STM只能观察导电样品的不足。
原子力显微镜基础模块:
该模块包含原子力显微镜接触模式和横向力模式。
模式 接触模式:微悬臂探针紧压样品表面,扫描过程中与样品保持接触。该
时探 模式分辨率较高,但成像针对样品作用力较大,容易对样品表面形
测表 成划痕,或将样品碎片吸附在针尖上,适合 检测强度较高、结构
稳定的样品。
横向力模式:是接触模式的扩展技术,针尖压在样品表面扫描时,与起
伏力方向垂直的横向力使微悬臂探针左右扭曲,通过检测这种扭
曲,获得样品纳米尺度局域上探针的横向作用力分布图。
原子力显微镜专业模块:
该模块包含原子力显微镜轻敲模式和相移模式。
轻敲模式:在扫描过程中微悬臂被压电驱动器激发到共振振荡状态,样
品表面的起伏使微悬臂探 针的振幅产生相应变化,从而得到样品
的表面形貌。
由于该模式下,针尖随着悬臂的振荡,极其短暂地对样品进行“敲
击”,因此横向力引起的对样品的破坏几乎完全消失,适合检测粉体颗
粒、生物样品及其它柔软、易碎、易吸附的样品,但分辨率接触模式低。
相移模式:是轻敲模式的扩展技术,通过检测微悬臂实际 振动与其驱动信
号源的相位差的变化来成像。引起相移的因素很多,如样品的组分、
硬度、粘弹性、环境阻尼等。因此利用相移模式,可以在纳米尺度上
获得样品表面局域性质的丰富信息。
液相模式:(选配)配有液体池,工作时探针和样品都在液体环境中,
适用于生物样品。
摩擦力显微镜模块:
原子力显微镜基础模块中的横向力模式可以获得样品与探针的横向作用力分布图。由于影响
横向力的因素很多,主要包括样品移动方向与针尖悬臂角度、样品晶格排列角度、摩擦力、台阶扭动、
粘弹性等,因此,如果能够基本确定其它因素,利用横向力模式可以对样品纳米级摩擦系数进行间接测
量,进行表面裂缝及粘弹性分析等。
摩擦力显微镜是用于定量评价极轻载荷下(10^-7—10^-9N)薄膜材料的摩擦学特性,通过对针
悬臂 尖及悬臂的力学特性准确标定,能够获取微观摩擦系数,为纳米摩擦学研究提供依据。利用我们独创的
对分模式扫描,可以准确标定针尖悬臂与扫描方向的90度角,以消除针尖放置角度的不准确和扫描器
误安装位置的差;通过设定正压力的变化范围,可以连续改变正压力,
几分钟内就可完成几小时才能 完成的测量过程,而且系统状态变化很小,
使得测量更准确;由于有4通道同步采集,在所有的力测量过程中,我们
可以同时采集到样品的起伏、针尖所受到的起伏力、横向力,可以准确
分析针尖的状态,为精确分析摩擦力提供了更为详实的数据。
磁力/静电力显微镜模块:
抬起模式:该工作模式分两个阶段,第一阶段与普通原子力显微镜形貌成像一样,在探针与样品间
距1nm以内成像,然后,将探针抬起并一直保持相同距离,进行第二次扫描,该扫描过程可以对一些
相对微弱但作用程较长的作用力进行检测,如磁力或静电力。
磁力显微镜(Magnetic Force Microscope -- MFM):控制磁性
探针在磁性样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式进行二次成像,获得样
品纳米尺度局域上磁畴结构及分布图。
静电力显微镜(Electrostatic Force Microscope -- EFM):
控制导电探针在样品表面进行逐行扫描,利用抬起模式二次成像,获得
样品纳米尺度局域上静电场分布图。
扫描探针声学显微镜模块:
扫描探针声学显微镜(SPAM,Scanning Probe Acoustic Microscope)是将原子力显微镜与电声成
像技术相结合,采用声学成像模式,借用声波记录下物质的内部模样,建立了低频(<30kHz)高分
辨率(~10nm)扫描探针声学显微成像技术。其特点是能够获得反映材料亚表面纳米尺度结构的声
学像和性能的原位检测,克服了现有SPM只能获得材料表面结构和性质的不足。迄今为止,反映材
料亚表面纳米尺度结构及有关物性的声学功能模式的SPM在国内外报道甚少。
样品定位辅助模块:
该模块包含高分辨CCD光学显微系统和高精度电控样品移动平台。
高分辨CCD光学显微系统:在计算机上成像,用于观察探针和样
品,放大80—600倍。
高精度电控样品移动平台:计算机自动控制,配合 光学显微系统
进行精确样品移动和定位的装置。移动范围5mm*5mm,单步移动步长最小
85nm。
纳米加工模块:
SPM的纳米加工技术是纳米科技的核心技术之一,常用的加工方法包括机械刻蚀、电致/场致刻
润笔 蚀、浸润笔(Dip-Pen Nano-lithography,DNP)等。其基本原理是利用SPM针尖在样品表面准确移动,
与样 同时控制针尖-样品间的相互作用,就可完成所需的加工过程。
常用的移动方法包括矢量和点阵。矢量法通过矢量产生插件建立矢量数据文件,然后进行刻蚀。
使用这种方法,线条连续,刻蚀速度快,但矢量编辑较为麻烦。点阵法通过插件自动分析需要刻蚀的图
象,在样品上边扫描边刻蚀。这种方法不用编辑矢量,与原图像几乎不失真,但刻蚀速度慢,线条不连
续。可以根据需要选择不同的方法。
SPM通用平台开放式开发系统模块:
SPM通用平台开放式开发系统是一套完整的SPM模块化开发平台,简称“开发系统”。包括软件
板和 开发模硬件开发套件。如果您需要在已有的SPM功能上开发特殊要求的功能模块,就需要购买开发系
统。目前,离线软件开发模板我们都免费赠送,鼓励用户亲自开发,或者提出详细要求和算法,委托我
们为SPM定制1-2个特殊功能的处理插件,这都是免费的服务。
软硬件结合的特殊功能的SPM开发就要使用“开发系统”了。这套系统具体包括软件开发模板、硬件
扩展接口测试箱(硬件扩展实验板组)、硬件接口插件模板、开发手册。该系统的设计充分考虑了用户级
二次开发的方便性、可行性和可靠性。当然,您也可以购“开发系统”,然后提出IDEA,由我们来帮您
合作完成。