掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理

前言

　　材料研究不斷對(duì)具有更高空間分辨力和靈敏度的分析技術(shù)提出新的需求，近年來(lái)以原子尺度對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行成像、測(cè)量和加工的研究工作不斷地深入，同時(shí)促進(jìn)了掃描隧道顯微術(shù)STM和與其相關(guān)的掃描探針顯微術(shù)SPM及掃描力顯微術(shù)SFM的顯著發(fā)展。由于所有SPM采用的近場(chǎng)掃描成像方式的特殊性，各種測(cè)試結(jié)果的正確分析顯得尤為重要。　　本書(shū)第1章簡(jiǎn)單介紹了各種掃描探針顯微鏡的工作原理和工作模式。第2章根據(jù)量子力學(xué)的微擾理論論述了電子隧道和納米間距的針尖.樣品相互作用的起源。第3章闡明了各種物理量隨針尖.樣品間距的變化和不同間距下針尖與樣品相互作用的特點(diǎn)與結(jié)果。第4、5、6章建立了針尖和樣品的多粒子體系模型，采用分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函方法模擬粒子分布隨針尖一樣品間隙變化的過(guò)程，討論了材料的黏結(jié)性、表面張力，接觸形變、表面形變，材料彈性、塑性響應(yīng)特性，材料硬度、微米和納米凹陷，摩擦力、潤(rùn)滑和剪切、斷裂以及原子尺度的探針對(duì)材料表面的修改和加工等基礎(chǔ)和應(yīng)用問(wèn)題。第7章討論在非接觸掃描力顯微技術(shù)中涉及來(lái)自遠(yuǎn)程針尖一樣品相互作用的范德瓦爾斯力，針尖.樣品間隙申存在液體時(shí)的離子型的雙層力，當(dāng)針尖和樣品非常接近時(shí)，間隙中液體的不連續(xù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的溶解（極化的）力和液體在表面以吸附薄膜形式存在的毛細(xì)作用力，闡明了這些作用力的典型幅度、作用范圍和復(fù)雜的交互作用。

內(nèi)容概要

　　《掃描隧道與掃描力顯微鏡分析原理》介紹了：各種掃描探針顯微鏡的工作原理和工作模式，用量子力學(xué)微擾理論闡明了電子隧道和納米間距的針尖-樣品的相互作用的起源，簡(jiǎn)單介紹了密度泛函第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)針尖-樣品相互作用的動(dòng)態(tài)模擬方法，奠定了開(kāi)展掃描探針微納測(cè)試與加工技術(shù)研究的理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?！稈呙杷淼琅c掃描力顯微鏡分析原理》適合于從事掃描探針及掃描力顯微鏡微納測(cè)試與加工技術(shù)研究的科技工作者參考，也可作為材料、物理、機(jī)械等相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生的選修教材。

書(shū)籍目錄

第1章　掃描探針及掃描力顯微鏡簡(jiǎn)介1.1　掃描隧道顯微鏡1.2　原子力顯微鏡1.3　磁力顯微鏡1.4　橫向力顯微鏡1.5　其他SPM技術(shù)1.6　SPM表面分析的手段1.7　SPM工作環(huán)境第2章　STM和SFM的統(tǒng)一微擾理論2.1　統(tǒng)一微擾理論的產(chǎn)生原因2.2　改進(jìn)的Bardeen近似法參考文獻(xiàn)第3章　針尖-樣品相互作用理論3.1　針尖-樣品相互作用3.2　長(zhǎng)程力（范德瓦爾斯力）3.3　相互作用能（黏結(jié)能）3.4　短程力3.5　形變3.6　原子傳輸3.7　由針尖引發(fā)的電子結(jié)構(gòu)變化3.8　擠壓效應(yīng)3.9　隧穿向彈道傳輸?shù)霓D(zhuǎn)變參考文獻(xiàn)第4章　針尖-樣品相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬4.1　算法4.2　研究特例參考文獻(xiàn)第5章　彈性介質(zhì)接觸式掃描力顯微技術(shù)5.1　層狀材料的連續(xù)彈性體理論5.2　SIW和彈性介質(zhì)間的相互作用5.3　局域抗彎剛度參考文獻(xiàn)第6章　原子尺度的摩擦理論6.1　摩擦力的微觀(guān)起源6.2　理想化的摩擦力學(xué)6.3　摩擦力的模擬計(jì)算6.4　掃描力顯微鏡無(wú)損針尖-基底相互作用的限制參考文獻(xiàn)第7章　非接觸力顯微技術(shù)理論7.1　分析方法簡(jiǎn)介7.2　范德瓦爾斯力7.3　離子力7.4　少量分子的擠壓：溶解力7.5　毛細(xì)力7.6　結(jié)論參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第2章　STM和SFM的統(tǒng)一微擾理論　　本章討論適用于STM和SFM的統(tǒng)一微擾理論。為了搞清楚在成像過(guò)程中針尖的電子態(tài)、針尖一樣品間相互作用的影響，解釋所觀(guān)察到的圖像，微擾理論提供了簡(jiǎn)單明了的方法。微擾理論闡明了針尖和樣品的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)像的決定性作用，從而揭示出圖像所反映的內(nèi)涵。計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)自由針尖、自由樣品的電子結(jié)構(gòu)在不同條件下的模擬和對(duì)比，微擾理論則可對(duì)STM和AFM的圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)。總的來(lái)說(shuō)，將不同的理論和實(shí)驗(yàn)概括到一個(gè)統(tǒng)一的領(lǐng)域中，較好的方法是通過(guò)合適的微擾處理。本章介紹的微擾理論將隧道現(xiàn)象和吸引型原子力自然地聯(lián)系到一起，故稱(chēng)為統(tǒng)一微擾理論?！　?.1　統(tǒng)一微擾理論的產(chǎn)生原因　　2.1.1　實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介　　自從Binnig和Rohrer于1981年發(fā)明STM以來(lái)，已經(jīng)積累了大量的實(shí)驗(yàn)資料。下面列舉出STM理論所必須解釋的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?！　≡臃直媛剩篠TM可區(qū)分出各種各樣的金屬、半導(dǎo)體和層狀材料表面的最近臨原子和單個(gè)原子周?chē)脑敿?xì)情況。例如，最近臨原子間距為2.2～3.8 A的半導(dǎo)體表面，原子間距為2.5～2.9 A的低密勒指數(shù)的金屬表面以及原子間距為1.5～3.5 A的層狀材料。　　……

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