扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用
引 言
透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面”总在一定深度上，而且分辨率也受到很大限制。场发射电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成像（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达纳米，在垂直于表面的方向可达纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料
一、扫描隧道显微镜的介绍
扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。 扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁（GerdK。Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下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。
1 扫描隧道显微镜实验报告
摘要：本实验我们将从了解扫描隧道显微镜原理出发，熟悉各部件的工作原理和功用，掌握描隧道显微镜的操作和调试过程，通过对隧道效应和样品表面的形貌观测初步体会描隧道显微镜在微观观测和操作领域的重要作用，学会用计算机软件处理原始图象数据。
关键词：扫描隧道显微镜、隧道针尖 、工作原理 工作模式 仪器构成
引言：
社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出的世界上第一台扫描隧道显微镜（简称STM）已达纳米级别。STM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的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一，因此荣获了学界最高荣誉诺贝尔奖。在扫描隧道显微镜的基础上又衍生出多种观测仪器，继承了其在微观测量领域的显著优势，逐步改进其缺陷。
正文：
1 工作原理
扫描隧道显微镜的工作原理是电子的隧道贯穿，也就是量子力学中的隧道效应。电子云占据在样品和探针尖之间。电子云是电子位置具有不确定性的结果，这是其波动性质决定的。导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。探针在表面上扫描时，有一套反馈装置去感受到这一电子流（叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上（图1）或者使得电子流保持在一定数值下。探针尖即可以以这两种方式描过表面的轮廓。读出的针尖运动情况经计算机处理后，或在银幕上显示出来，或由绘图机表示出来。使针尖以一系列平行线段的方式扫描，使可获得高分辨率的三维表面图像。 2
1 扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用
【摘要】：
本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。
关键词：
扫描隧道显微镜 隧道效应 石墨晶体
一、实验引言：
随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
二、实验原理：
1、量子隧道效应 2 在量子力学里，如果势能不是无限大，则在）（rV>E的区域,薛定谔方程的解不一定为零，即一个入射粒子穿透一个）（rV>E的有限区域的几率是非零的，这就是隧道效应。利用图1可以说明隧道效应的物理意义，设图1（上）中为矩形势垒的高度，E为粒子动能，如图1(下)所示，则势垒穿透厚度为z的势垒去的几率P可用下式表示：
1 摘要
纳米技术即在纳米尺度对结构进行表征和操纵的技术，是一个十分重要的仍
有待深入开发的领域。1982年G.Binning和H.Rohrer发明的扫描隧道显微镜
(scanning tunneling microscope,简称STM)，其水平分辨率达0.01nm，垂直分辨率
可达0.001nm，使其在纳米尺度探测表面和界面结构成为可能。STM最惊人之处
是能测量出试样表面上的原子结构，因此被广泛地应用于物理学、化学、生命科
学等领域。在材料科学中，一个最具挑战性的当代目标是实现在纳米尺度上操纵
原子，而STM通过探针针尖和试样表面原子相互的作用使某种表面改性可能发
生。
关键字：纳米技术，扫描隧道显微镜，分辨率，操纵原子
2 扫描隧道显微镜（STM）单原子操纵的发展
我们知道，STM通过隧道电流的变化可以观看到分辨率极高的物质表面状
态密度分布或者原子排列的图像。那么既然我们能够观看到原子的真实长相，我
们能不能去“动一动”原子呢？答案是肯定的，早在1990年，美国IBM公司的
两位科学家就发现，在用STM观察金属表面氙原子时，探针怎么移动，靠近探
针的氙原子也会作同样的移动。由此他们得到启发：如果让原子按照我们设想的
方案移动，那不就可以随便改变原子的排列顺序吗？于是他们经过22小时的努
力，由几十个氙原子排列成的IBM字样的字母被创造了出来（图1）。
依赖于STM这种能够操纵原子的工具，一门在0.1—100nm尺度空间内研究
电子、原子、分子运动规律和特性的崭新高技术学科及纳米科学技术诞生了出来。
他的最终目标是人类按照自己的意愿直接操纵单个原子，制造具有特定功能的新
产品。这种单原子操纵技术对纳米科学和纳米技术的发展有着重要的意义，具有
迷人的前景。比如，它使得人们有可能按照自己的意愿去组建各种结构和功能的
纳米器件，也可以对材料表面进行原子尺度的修饰，还可以合成、拆解分子来控
制化学反应的进程，等等。
图一
3 扫描隧道显微镜（STM）单原子操纵的方式
