STM (扫描隧道显微镜)

STM扫描隧道显微镜几十年来,人类研制成功了许多用于表面结构分析的现代仪器.例如光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、电子探针、衍射仪、能谱仪等等。

这些物理技术在表面科学研究领域都起着重要的作用；但它们的物理原理不同，作用范围、精度、环境条件等都不尽相同。

也就是说，每一种技术对表面微观结构观察与分析都有它自己的特长与意义，但每一种技术都必然受着自身原理的条件限制，只能在一定的领域内开展工作。

例如光学显微镜受其分辩率的影响无法分辩出表面的原子；高分辩率的透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相和界面研究。

X射线的光电子能谱等只能提供空间平均电子的电子结构信息；有的技术只能获得间接结果，还需要用试差模型来拟合等等。

虽然人们早就知道物质是由分子和原子组成的，但这大多是通过实验间接验证的。

1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer博士研制成世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）。

它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关物理、化学性质。

而且在其测量过程中不会对样品形成任何损伤。

其惊人的原子分辩能力已被广泛地应用于材料科学、微电子科学、纳米加工技术等领域。

[实验原理]扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。

见图1：图1当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，根据经典力学理论，粒子不可能穿过此势垒，即透射系数等于零。

但按照量子力学原理，粒子越过势垒区而出现在另一边的几率不为零，这个现象称为隧道效应。

实验中，将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm）见图2:在外加电场作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

隧道电流I是电子波函数重叠的量度。

与针尖和样品之间距离S 和平均功函数Φ有关： )21exp(S A b V I Φ−∝（1） b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数),21(21Φ+Φ⋅≈Φ1Φ和2Φ分别为针尖和样品表面的功函数。

什么是扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM）是一种扫描探针显微术工具，它可以让科学家观察和定位单个原子，具有比同类原子力显微镜更高的分辨率。

STM在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

扫描隧道显微镜利用量子力学中的隧道效应，当扫描针尖在样品表面上方沿z轴来回扫描时，由于针尖和样品之间的距离非常近，使得针尖和样品之间产生隧道效应，从而获得表面形貌的微细结构信息。

扫描隧道显微镜具有原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。

STM在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。

如需了解更多有关扫描隧道显微镜的信息，可以查阅相关的专业文献，或者咨询相关领域的专家学者。

扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用隧道效应实现原子尺度分辨率的显微镜。

其原理基于尖端和样品之间存在的隧道电流。

STM主要由扫描探头和表面的样品组成。

探头的尖端通常由
金属制成，尖端尺寸非常小，只有几个原子大小。

样品表面通常是导体，如金属或半导体。

当探头与样品非常接近时，尖端和样品表面之间会产生一个微小的隧道间隙。

由于量子力学的量子隧道效应，即使隧道间隙非常窄，也可以允许电子从尖端隧道到样品表面。

为了保持探头和样品间的恒定隧道电流，STM中的探头是以
非常小的步长在样品表面进行扫描。

在每个位置，测量和控制系统会调整探头高度，以保持隧道电流的恒定。

根据隧道电流的变化情况，可以得到样品表面的形貌信息。

当尖端在不同的位置上进行扫描时，可以得到一个二维图像，显示出样品表面的原子排列情况。

由于STM的原理基于隧道电流，因此只有在样品表面是导体
的情况下才能使用。

此外，由于隧道电流十分微弱，所以要求实验环境必须非常安静并且稳定。

总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现原子尺度的高分
辨率观测。

通过测量隧道电流的变化，可以得到样品表面的形貌信息，从而揭示出微观尺度下的材料特征。

1 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。

将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。

这种现象即是隧道效应。

隧道电流I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S 和平均功函数Φ 有关：V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在真空条件下约等于1。

扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。

由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S 减小0.1nm，隧道电流I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏，见图1(a)。

将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。

这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。

对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。

这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。

（a）（b）从式可知，在V b和I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V z的变化。

如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。

stm表征cdw的原理
STM（扫描隧道显微镜）表征CDW（charge density wave，电荷密度波）的原理主要依赖于STM的工作原理和CDW的特性。

STM（扫描隧道显微镜）是一种扫描探针显微术，它通过检测量子隧道效应来获取物质表面结构的信息。

STM的工作原理是当两个电极（一个金属针尖和一个样品）之间的距离足够近（约1nm）时，会出现隧道效应。

电子从一个电极穿过空间势垒到达另一个电极形成电流。

STM利用这个原理来观察和测量样品表面的原子尺度结构。

CDW是一种在固体材料中传播的电荷密度波动，其存在表现为材料的原子间距在不同程度上发生了周期性变化。

当STM针尖扫描CDW材料表面时，由于CDW引起的原子间距的周期性变化，会导致隧道电流的变化。

通过测量这种电流变化，STM可以揭示CDW在材料表面的分布和规律。

在STM表征CDW的过程中，通常采用恒高模式（保持针尖高度恒定）或恒流模式（保持隧道电流不变）进行扫描。

恒高模式适用于表面起伏较小的样品，而恒流模式适用于表面起伏较大的样品。

通过这两种模式的不同组合，可以获得关于CDW的详细信息。

总之，STM表征CDW的原理主要是利用STM的隧道效应在原子尺度上检测和测量CDW引起的表面原子间距的周期性变化。

这种方法可以揭示CDW的分布、规律和相互作用，为研究CDW的物理性质和应用提供有力支持。

STM研究报告一、简介STM（扫描隧道显微镜）是一种高分辨率的显微技术，可以实现对物质表面的原子级分辨率成像。

STM的原理是利用电子的量子隧道效应，通过扫描探针尖端与样品表面的距离和信号变化来获取样品表面的形貌和电子结构信息。

本文旨在介绍STM的原理、工作原理、应用和发展前景。

二、原理STM的作用机制基于量子力学中的隧道效应，即电子通过势垒隧道穿越的现象。

在STM中，探针尖端与样品表面之间存在微弱的隧道电流，这个电流与探针尖端与样品表面的距离密切相关。

当探针尖端沿着样品表面扫描时，通过测量隧道电流的变化，可以得到样品表面的拓扑结构信息。

三、工作原理STM的工作原理分为两个主要步骤：扫描和反馈控制。

1. 扫描在扫描步骤中，探针尖端沿着样品表面进行水平和垂直方向的扫描。

探针尖端通过微调移动以保持探针尖端与样品表面的恒定距离。

扫描步骤中获取的隧道电流信号被送入反馈控制系统。

2. 反馈控制反馈控制系统是STM操作中的一个重要组成部分。

它基于样品表面的电子结构，通过改变探针尖端的位置来保持扫描过程中的隧道电流恒定。

在反馈控制中，隧道电流信号被检测，并传递给控制电路。

控制电路会调整探针尖端的位置，以便与样品表面的隧道电流保持一定的值。

四、应用STM作为一种高分辨率的显微技术，已经在许多领域得到了广泛应用。

1. 表面形貌研究STM可以用来观察和研究物质的表面形貌。

通过对样品表面的原子级分辨成像，可以揭示材料的晶格结构、晶面形貌以及表面缺陷等信息。

2. 分子自组装研究由于STM的高分辨率和原子级探测能力，它也被广泛应用于研究分子自组装。

通过在STM下观察分子的自组装过程，可以揭示分子间相互作用、形成有序结构等过程。

3. 表面电子结构研究STM还可以用于研究物质表面的电子结构。

通过测量样品表面的局域隧道电流，可以获得表面电子态密度和工作函数等信息。

4. 导电性研究STM不仅可以观察材料的表面形貌，还可以测量材料的局域电导性。