08:20－8:30基金委领导介绍情况18:30－9:30薛其坤教授扫描探针显微镜简介29:30－11:30陈曦教授低温扫描隧道显微镜313:20－14:20万立骏研究员电化学扫描隧道显微镜414:20－15:20毛秉伟教授扫描隧道显微镜在化学上的应用515:20－17:00王兵教授表面与低维纳米结构的STS谱617:00－18:40梁学锦研究员双探针扫描隧道显微镜78:30－10:00朱星教授扫描近场光学显微镜810:00－12:00裘晓辉研究员单分子隧道谱及原子分子操纵913:30－15:30董振超教授扫描隧道显微镜诱导的发光1015:30－17:00杨延莲教授原子力显微镜简介1117:00－18:30贾金锋教授局域功函数测量内容1.历史回顾2.扫描探针显微镜简介3.扫描隧道显微镜/谱理论主要理论模型讨论：分辨本领、隧道谱、表面态/共振态电路示意图原理图扫描探针显微镜简介薛其坤清华大学物理系中国科学院物理研究所180 lines/mm 光栅针尖距离：100nm电压：几个KV分辨率：400nmIn Touch with AtomsBinnig and Rohrer, Review of Modern Physics 71, S324 (1999)1In Touch with AtomsBinnig and Rohrer, Review of Modern Physics 71, S324 (1999)扫描隧道显微镜(1981)tipAdtunneling10Acurrentsample隧道电流rI ∝e-2Kd诺贝尔物理学奖－1986透射电子显微镜与扫描隧道显微镜的发明RealizationV近场技术NiAuInstruments with Atomic Resolution(达到原子分辨的三种科学仪器)Transmission Electron Microscope (TEM) 透射电子显微镜(Ruska, 1931)Field Ion Microscope (FIM) 场离子显微镜(Muller, 1951)Scanning Tunneling Microscope (STM)扫描隧道显微镜(Binnig & Rohrer, 1981)1986: Ruska, Binnig and Rohrer2007年3月12号2场离子显微镜（Muller，1956）荧光屏（负极）放大倍数:η＝D/(Rβ)D=10cm, R=50nmη=100万Christmas with Professor Mueller in 1974(Baby Maromi Klara’sfirst visit of PSU)扫描隧道显微镜简介具有两维扫描功能的电流表V1.隧道电流小(pA-nA)A隧穿电阻大(MΩ-GΩ)2.探针-样品距离小1nm良好的机械振动和声音隔绝系统电子学噪音小3. 热漂移小精密仪器设计、电子学和计算机自动控制50th Anniversary of Atomic Resolution Microscopy (on June 15-17, 2005 at PSU)In front of Osmond Buildingfor Penn State’s 150th Anniversary in 2005内容1.历史回顾2.扫描探针显微镜简介3.扫描隧道显微镜/谱理论主要理论模型讨论：分辨本领、隧道谱、表面态/共振态毫开温度(400mK)强磁场(11Te) STM温度580mK磁场3Te时的噪声谱30fA3STM的特点1.实空间2.原子分辨（面内: 0.2nm, 垂直：0.01nm）3.工作环境：超高真空、大气、溶液4.非周期结构5.扫描探针的家庭6.纳米榔头--原子操纵STM的特点1.实空间2.原子分辨3.工作环境：超高真空、大气、溶液4.非周期结构5.扫描探针的家庭6.纳米榔头--原子操纵frequency modulation AFM (non-contact AFM)The height of cantilever is adjusted to keep thefrequency shiftconstant.When the tip detects a force, the resonance frequencyOscillating the cantileverchanges.with its resonance frequencyevaluating the force from a change of resonance frequency from Y. Hasegawa(frequency shift)frequency shiftGaAs(001) Ga-rich 4x6 2.4nmGa原子2.35Å[110][110]Xueet al., PRL75, 3177 (1995)Local Probes: family家族Binnig & Rohrer, Rev. Modern Phys. 71, S324 (1999)Scanning Near-field Optical Microscopy (近场光学显微镜)Optics: ½wavelengthPhoto Scanning Tunneling Microscopy MicroscopyScanning Force Microscopy (SPM)Atomic Force Microscopy (AFM) （原子力显微镜）Magnetic Force Microscopy (MFM) （磁力显微镜）Electrostatic Force Microscopy (EFM) （静电力显微镜）Lateral Fiction Force Microscopy (LFM) （摩擦力显微镜）Scanning Thermal Microscopy (STHM) (热电势显微镜)Ballistic Electron Emission Microscopy (BEEM)(弹道电子发射显微镜)STM的特点1.实空间2.原子分辨3.工作环境：超高真空、大气、溶液4.非周期结构5.扫描探针的家庭6.纳米榔头--原子操纵4QUANTUM CORRAL48个铁原子(量子围拦)实验上设计哈密顿量Fe–Fe原子距离：0.94nm圆环直径：14.3nm开辟了“自下而上”的制造技术Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)STM的工作模式常数电流扫描模式常数高度扫描模式形貌像隧道谱占有态像（FilledStates Image）空态像（Empty States Image）Scanning Tunneling MicroscopyConstant Height ModeRecord the tunneling current While keeping the height of The tip constantAdvantage:FasterDisadvantage:Smooth surfaceFrenkenGroup: 60 images/second单分子化学反应Desorptionof NH3from Cu(100) by tunnelingelectronsScanning Tunneling MicroscopyConstant Current ModeRecord the height of the tipwhile keeping the tunneling current constantAdvantage: Irregular surfaceDisadvantage:SlowerSTM的工作模式常数电流扫描模式常数高度扫描模式形貌像隧道谱占有态像（filled States Image）空态像（Empty States Image）5扫描隧道显微谱V= -0.4VI=0.1nA⊿V=3mVdIf=2kHzdV∞ρs(EF−eV+ε)两种模式（针尖-样品距离恒定）位置固定：I随V的变化dI/dVLDOS随能量的变化偏压固定：dI/dV随位置(xy)变化-dI/dVmap某一能量LDOS随空间的变化0STM的工作模式常数电流扫描模式常数高度扫描模式形貌像隧道谱占有电子态像（filled States Image）空电子态像（Empty States Image）内容1.历史回顾2.扫描隧道显微镜简介3.扫描隧道显微镜/谱理论主要理论模型讨论：分辨本领、隧道谱、表面态/共振态隧道谱GdC82-Peapod 具有空间分辨的局域电子态dI/dVdI/dV(A.U.)0.3 eV(A.U.)0.5 eV-0.4-0.200.20.4-0.4-0.200.20.4Sample Bias (V)Sample Bias (V)Khanget al., Korea Univ. STM的工作模式EFVEcE空电子FS态像tipsampleEvEcEFS占有电VEv子态像EFtipsample6扫描隧道显微镜的理论1.一级微扰理论(单电子近似)Bardeen (PRL 1961), Tersoff& Hamann(PRB 1985)2.三维散射理论(单电子近似)Generalized EhrenfestTheorem3.非平衡格林函数理论(多体相互作用)KeldyshFormalismD. Drakova库仑阻塞、近藤共振Rep. Prog. Phys. 64 (2001)205STM的空间分辨率as a local probedr分辨率=A√((r+d) λλ(nm)∝0.1√Φeff(0.1nm)I ∝e-2KdK=√(2mΦ)/ħ(衰减长度1Å-1)Binnig and Rohrer, Review of Modern Physics 71, S324 (1999)一维定态薛定谔方程方势垒问题扫描隧道显微镜的空间分辨率dhsRhs:表面起伏幅度R: 针尖曲率半径d: 针尖－样品距离a: 为晶格常数E. Stoll, Surf. Sci. 143, L411(1984)Tersoffand Hamann, PRL 50, 1998 (1983)k: 为衰减因子PRB 31, 805 (1985)7扫描隧道显微谱: 能量分辨率引入局域态不同能量本征值的bloch波叠加E=E0+(hk2)/2m*kF=2m*(EF-E0)hΔxΔk ≥1/2能量分辨率ΔE≥η2kF2m*Δx=0.47EF−E0rk空间分辨率F取EF-E0=4eV和kF=1Å，当r ≅40Å时，ΔE≅0.01eV扫描隧道显微镜的理论1.一级微扰理论(单电子近似)Bardeen (PRL 1961), Tersoff& Hamann(PRB 1985)扫描隧道显微镜的理论单电子的薛定谔方程－A3针真样H = Hsam＋Htip尖空品区结区区Hsamt=0 电子处于在弱隧穿条件下－A1Htip在正交条件下－A2在tip上态φj发现电子的几率温度对能量分辨率的影响费米分布函数ƒi=11+(Ei-EF)/kBT室温300K样品能量分布展宽: 2kBT～0.05eV0.1eV针尖能量分布展宽: 2kBT～0.05eV300mK0.1meVBardeen的一级微扰理论不考虑针尖-样品直接相互作用V(1)隧穿过程很弱(一级微扰)(2)针尖－样品波函数正交(3)电子电子相互作用可以忽略(4)态的占据(分布)彼此独立隧穿状态下，针尖/样品电子(5)针尖/样品处于各自的平衡态一般地，很小, aj起主要作用一个电子从样品初始态Ψ散射到能量接近的针尖态的几率在泡利原理＋A3和A4近似下其中：费米分布函数一个电子从针尖态散射到样品初始态Ψ的的几率8隧穿电流I：Bardeen近似的e×所有占有的样品初始态主要物理意义散射到所有空的能量接近的针尖态的总几率Tersoff-Hamann公式I∞Un2t(EF)exp(2kR)∑Ψvδ(Ev−EF)vΨ2v∝exp(−2k(R+s))I ∝U exp(-2κs)在低温和低偏压下，隧道电流正比于样品在针尖处在费米能量附近的局域态密度倒易原理：pz和dz2Chen, PRL 65, 448 (1990)扫描隧道显微镜理论（Bardeen一级非含时微扰理论）J. Bardeen, PRL 6, 57(1961)I=2πeη∑{f(Eμ)[1−f(Ev−eV)]−f(Ev+eV)[1−f(Eμ)]}|M2μv|δ(Ev−Eμ)μ,vMμv=−η22m∫ds(Ψ∗∗μ∇Ψv−Ψv∇Ψμ)低温小偏压下假设探针为球形s波扫描隧道显微镜的空间分辨率For Al(111): 0.01ÅE. Stoll, Surf. Sci. 143, L411(1984)Tersoffand Hamann, PRL 50, 1998 (1983)PRB 31, 805 (1985)扫描隧道谱（STS）隧穿电流样品正隧穿微分电导(dI/dV)偏压样品负偏压9表面电子态和共振电子态by STS？固有表面态：(tip, defect scattering, inelastic)表面共振态：向连续态衰减吸附共振/吸附表面态：Ag(111): Li et al., PRL 80, 293(1998)STS的镜像法则表面态和共振态三维散射理论(单电子近似)Generalized EhrenfestTheorem针尖-样品的相互作用物理图像：隧道事件－散射过程。电子从针尖内部出来，被apex散射后，进入样品，因而用总哈密顿量H的本征函数|i+>描述。apexSTS的镜像法则和STM像的翻转Pt(111)隧穿势垒的崩溃2.4A4.0A弹道隧穿STM像的翻转（1）隧穿势垒崩溃－共振镜像反转（3.5A)（2）针尖-样品相互作用：成键态和反键态(2A)Al(111)Generalized EhrenfestTheorem〈ƒ∧是样品(针尖)部分哈密顿量的本征态由于测量的电流时，散射电子的最终态为〈ƒ，和Vcurr无关，因而是总H的本征态。它是一个包含从散射中心出来的平面波和进入散射中心的散射波两个组分。Vcurr只限于apex区域103.非平衡格林函数理论(多体相互作用)D. Drakova，Rep. Prog. Phys. 64 (2001)205Tunneling在表面小区域注入电荷——Transient ion resonant state多体效应、动力学屏蔽效应、电荷重分布…基态激发态的驰豫：表面态的寿命展宽反差翻转：激发态的卷入库仑阻塞、近藤共振Dynamic Theory of STM扫描隧道显微镜的理论REFEUFUtipsampleS近场技术local probeThank you very much!STMResonanceScattering扫描隧道显微谱的理论: 能量分辨率引入的局域态某能量范围内bloch波的叠加E=E0+(hk2)/2m*kF=2m*(EF-E0)hΔxΔk ≥1/2能量分辨率ΔE≥η2kF=0.47EF−E02m*Δxrk空间分辨率F取EF-E0=4eV和kF=1Å，当r ≅4Å时，ΔE≅0.1eV11Instrument: Electronic-MechanicalHybrideCoarse Approach+Scanner Control ElectronicsVibration Isolation| n, l>= |5, 0> + |4, 2> + |2, 7>M* = 0.37m谐振周期随偏压的变化表面态的能量色散E(k)Quantum Corral(量子围拦)Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)实空间直接观察到电子波干涉形成的驻波电子波的散射电阻、磁化系数、电子比热、热电势和电迁移等物理性质Cu和Au (111)表面电子态能量极小值位于ΓM*=各相同性的色散关系0.3正的有效质量7m位于体投影能隙内两维自由电子气电阻ρ= ρL + ρIρI与温度电阻晶格散射杂质/缺陷散射无关随温度变化ρL ∝T(高温区)ρL ∝T5(低温区)近藤问题简单金属掺入少量磁性杂质RR电阻反常现象Rρ声杂质= a –b lnTR杂T电子和杂质磁矩的耦合作用12Quantum Mirage (量子海市蜃楼)Nature, Feb. 2000 Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)QUANTUM MIRAGENature, Feb. 2000 Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)2001年3月、西雅图Don EiglerQuantum Mirage (量子海市蜃楼)Courtesy: Dr. Eigler(IBM Almaden)具有原子分辨的三种科学仪器透射电子显微镜(Ruska，1931)Sample: Thin Films(200A) Focus Calibration场离子显微镜(Muller，1951)Sample: Conducting Tips (1000A)扫描隧道显微镜(Binnig、Rohrer，1981)UHV/ATM/SolutionRuska、Binnig和Rohrer分享1986年Nobel物理奖13