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扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。
它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。
STM具有非常高的分辨率，能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵，因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。
隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。
在STM中，金属探头和样品之间形成一个电势差，并使用一个反馈电路来保持电流恒定。
隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。
探头与样品之间的距离非常小，约为几个纳米，隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。
当探头在样品表面上移动时，由于样品表面具有不同的高度和电性特征，因此隧穿电流的大小也会发生变化。
这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息，然后通过计算机处理并呈现出来。
样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。
二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域，如表征材料表面和分析材料电子结构等。
在纳米材料研究中，STM可以检测材料中的特定原子和分子，并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。
B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。
它可以研究各种表面效应，例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。
此外，STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。
C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。
纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。
通过STM可以定量地观察单个原子和分子，这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。
D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。
在生物领域，STM可用于研究DNA分子的结构和功能，以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。
E.电子学STM还可以用作电子学中的电极，例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。
扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜，它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。
STM是一种非常重要的显微镜，它可以在原子尺度上观察表面的原子结构，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。
扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。
当一个尖端探针靠近样品表面时，尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。
这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关，当探针移动时，电流的大小也会发生变化。
通过测量这个隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑结构信息。
在STM中，尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上，可以在样品表面来回扫描。
当探针靠近样品表面时，由于隧穿效应，会产生隧穿电流。
探针和样品之间的距离非常小，通常在纳米尺度，这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。
通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小，可以得到样品表面的原子结构信息。
扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为，首先，将尖端探针放置在样品表面附近，然后通过控制尖端探针的位置，使其在样品表面上来回扫描。
在扫描的过程中，测量隧穿电流的大小，并将这些数据转换成图像，就可以得到样品表面的拓扑结构信息。
通过对这些图像的分析，可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。
扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力，可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用，可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。
同时，随着技术的不断进步，STM的分辨率和稳定性也在不断提高，为科学研究提供了强大的工具。
总之，扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜，利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它具有高分辨率、原子尺度的观测能力，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
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。
扫描隧道显微镜移动原子的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种高分辨率的显微镜，它能够移动单个原子。
其原理基于量子力学中的量子隧道效应，通过探针与样品之间的电子隧穿电流来实现对原子的探测和移动。
STM的工作原理可以简单地描述为：在STM中，探针（Tip）与样品之间施加一个微小的电压差，使探针上的电子从高电势端流向低电势端。
当探针与样品之间存在微小的间隙时，由于量子力学的隧道效应，电子可以穿越这个间隙，形成一个微弱的电流。
通过测量隧道电流的大小和变化，STM可以得到样品表面的拓扑和电子结构信息。
STM的探针需要足够尖锐，通常由金属制成。
在实验中，将探针靠近样品表面，并通过精确的控制系统使得探针与样品之间的距离保持在纳米尺度。
然后，施加一个微小的电压差，使得探针的电子从高电势端流向低电势端。
由于探针与样品之间的间隙非常小，不同原子之间存在微小的电子隧道，从而形成了隧道电流。
隧道电流的大小和变化与探针与样品之间的距离以及样品表面的拓扑和电子结构密切相关。
当探针与样品之间的距离变化时，隧道电流的大小也会相应改变。
通过控制探针的运动，可以实现对样品表面的扫描，并获得其拓扑特征。
此外，由于隧道电流还受到样品表面电子态的影响，通过测量隧道电流的变化，可以获取样品表面的电子结构信息。
在STM中，控制系统起着关键的作用。
通过控制系统，可以实现对探针的精确定位和移动。
控制系统会根据隧道电流的大小和变化来调整探针与样品之间的距离，以保持隧道电流的恒定。
同时，控制系统还可以根据隧道电流的变化来调整探针的位置，实现对样品表面的扫描。
通过STM，科学家们可以实现对原子的探测和移动。
在实验中，可以利用探针与样品之间的电子隧道效应，将探针移动到目标原子的位置，并将其移动到其他位置。
这种原子级别的控制和操作，为研究材料的表面性质和微观结构提供了有力工具。
扫描隧道显微镜通过探针与样品之间的电子隧道效应，实现了对原子的探测和移动。
扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的仪器，它可以在原子尺度上观察和操作物质表面的原子结构。
STM的原理是基于电荷隧穿效应，通过在探针和样品之间施加一定的电压，使电子以概率的形式从探针隧穿到样品表面，从而获得样品表面的拓扑形貌和电子结构信息。
在STM中，探针是一个锐利的金属尖端，通常由钨或铂铱制成。
这个探针被放置在与样品表面非常接近的位置上，通常只有几个纳米的距离。
当施加一定的直流电压时，由于量子隧穿效应的存在，电子可以从探针的表面隧穿到样品表面。
这个电流被称为隧穿电流，它与探针和样品之间的距离、样品表面的形貌和电子结构密切相关。
为了保持探针和样品之间的距离保持稳定，STM采用了一个反馈回路系统。
它通过测量隧穿电流的变化来调整探针和样品之间的距离，以保持隧穿电流的恒定。
这种反馈机制可以使STM实现高分辨率的成像，并且可以在原子尺度上进行操控。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以获得样品表面的拓扑图像。
由于电子的隧穿概率与距离的关系是指数衰减的，因此隧穿电流的大小和样品表面的高度之间存在着非常敏感的关系。
当探针在样品表面扫描时，隧穿电流的变化被记录并转换为图像，从而得到样品表面的形貌信息。
除了表面拓扑图像，STM还可以提供样品表面的电子结构信息。
在STM中，探针和样品之间的电流不仅取决于距离，还取决于样品表面的电子状态密度。
通过测量隧穿电流的能谱分布，可以获得样品表面的电子能级结构和局部密度状态。
这使得STM成为研究表面物理和表面化学现象的强大工具。
扫描隧道显微镜的发展使得科学家们能够在原子尺度上观察和操作物质，为凝聚态物理、表面科学和纳米科技的发展提供了重要的工具。
它不仅可以帮助我们更好地理解物质的基本性质，还可以在纳米材料的制备和纳米器件的研发中发挥重要作用。
随着技术的不断进步，STM的分辨率和功能得到了进一步提高，使得更多的物理和化学现象可以在原子尺度上得到研究和探索。
扫描隧道显微镜的组成
扫描隧道显微镜（STM）的组成主要包括以下部分：
1.针尖：这是STM最关键的部件之一，它由非常细的单晶金属丝（通常为钨或铂）制成，其尖端的曲率半径通常在几个埃（Angstroms）的范围内。
针尖的制备是STM制造中的一项关键技术，通常需要经过多道精密的加工和清洗步骤才能获得高质量的针尖。
2.扫描器：它由一组精密控制的马达和反馈系统组成，用于驱动针尖在样品表面进行精确的扫描。
扫描器通常包括X、Y和Z方向的控制器，以实现三维空间的扫描。
3.电子系统：STM的电子系统负责控制和调节隧道电流，以及处理和显示从STM获得的信号。
电子系统通常包括电源、信号发生器、放大器、控制器和显示器等部分。
4.样品台：样品台是放置样品的平台，它能够实现精确的移动和定位。
在实验过程中，样品台负责固定样品并对其进行扫描。
5.环境控制系统：为了保证STM的正常运行和延长其使用寿命，通常需要维持一定的环境条件，如温度、湿度和清洁度等。
环境控制系统负责监测和控制这些条件，以确保STM的正常运行。
总的来说，扫描隧道显微镜通过高精度的控制技术实现纳米级的观察能力，已经成为表面科学、凝聚态物理、纳米技术等领域中非常重要的研究工具。
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。
