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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。
扫描隧道显微镜原理与制备技术介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜，用于观察固体表面的原子及分子结构。
本文将详细介绍扫描隧道显微镜的原理和制备技术。
扫描隧道显微镜通过利用尖端和样品表面之间的量子隧道效应，实现对表面形貌和电子结构的观察。
其原理可以简单描述为：在一个真空中，尖端电极和样品表面之间加上一个微小的直流电压，当尖端和样品非常接近时（约 1 nm），由于量子隧道效应的存在，电子会从尖端隧道穿过真空障垒，进入样品表面或从样品表面进入尖端。
通过测量电流的强度和偏置电压的变化，就可以对表面的电子结构和拓扑形貌进行分析和显微观察。
扫描隧道显微镜的制备技术涉及到多个方面，包括尖端制备、样品制备和探测系统的搭建。
首先，尖端制备是制备扫描隧道显微镜不可或缺的一步。
常用的方法有机械断裂法和电化学腐蚀法。
机械断裂法是将一根金属丝折断，使其末端形成尖端结构，常用的金属有铂铱合金。
电化学腐蚀法则是通过在电解液中腐蚀尖端材料来制备尖端。
这两种方法制备出的尖端直径一般为1-10纳米，且需要在真空条件下进行。
其次，样品的制备也是扫描隧道显微镜研究中的重要步骤。
制备样品需要考虑到其几何形状和电导特性。
通常，我们可以使用化学气相沉积、物理气相沉积、溅射沉积等方法制备样品。
这些方法可以制备出晶体、薄膜和纳米颗粒等不同形式的样品。
最后，搭建扫描隧道显微镜的探测系统是整个研究的核心。
探测系统主要包括扫描器、样品台和信号采集与处理系统。
扫描器用于控制尖端在样品表面的位置，实现对样品进行扫描。
样品台则用于固定样品并提供电流给样品。
信号采集与处理系统用于测量和处理电流信号，并通过计算机进行数据的可视化和分析。
总结起来，扫描隧道显微镜的原理是基于量子隧道效应，利用电流强度和偏置电压的变化来观察固体表面的原子和分子结构。
其制备技术包括尖端制备、样品制备和探测系统搭建。
扫描隧道显微镜的使用教程随着科学技术的进步，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种高分辨率的显微技术，被广泛应用于材料科学、纳米技术等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用教程，帮助读者了解并正确运用这一先进的显微镜技术。
一、基本原理扫描隧道显微镜基于一种称为隧道效应的物理原理。
当一根尖端针的尖端与被测物体非常接近时，由于电子的波动性，电子会发生隧道穿越现象，从尖端流向被测物体表面。
通过测量流经尖端的电流大小，我们可以得到被测物体表面的形貌信息。
二、准备工作在使用扫描隧道显微镜之前，首先需要准备相关的实验设备和样品。
实验室中应该配备一台高精度的扫描隧道显微镜系统，以及适量的样品和导电性良好的探针。
确保实验环境干净、无尘，以避免尘埃影响显微镜的观察效果。
三、样品制备与安装选择合适的样品，并进行必要的表面处理，以保证样品表面的平整度和干净度。
常见的处理方式包括超声清洗、化学溶液浸泡等。
待处理好的样品需要被固定在扫描隧道显微镜样品台上，可以使用夹具、胶带或其他固定装置。
确保样品的稳定性，以免在扫描过程中发生移动或变形。
四、扫描参数设定在开始实验之前，需要根据样品的性质和实验需求来设定扫描参数。
这些参数包括扫描区域的大小、扫描速度、扫描模式等。
通常情况下，较小的扫描区域能够提供更高的分辨率，但同时需花费更长的扫描时间。
根据实际需要进行权衡，并进行相应的设定。
五、开始扫描确认样品和参数设定后，即可开始实际的扫描操作。
在扫描过程中，需要特别注意显微镜头与样品的距离。
通过微调装置，逐渐将尖端针靠近样品表面，直到隧道电流能够经过，并稳定在合适的范围内。
同时，需要根据实际情况进行针尖的横向和纵向调整，以使得扫描过程中的信号稳定和清晰。
六、结果分析与处理扫描完成后，可以得到样品表面的形貌信息。
使用相应的软件工具，可以对获得的数据进行图像重建、三维重建和分析处理等操作。
STM的历史1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gred Binning)博士和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了世界上第一台扫描隧道显微镜。
它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理，化学性质，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阔的应用前景，Gred Binning和Heinrich Rohrer也因此荣获1986年诺贝尔物理学奖。
STM与其它表面分析技术相比所具有的独特优点：1.具有原子级的高分辨率。
STM在平行于和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm。
2.可实时的得到在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或不具有周期性的表面结构研究。
这种可实时的观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。
3.可观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。
因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构。
4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水或其它溶液中，而不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。
这些特点特别适于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中对电极表面变化的监测等。
5.配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)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，表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
透射电镜与扫描电镜参见有关该章节资料场粒子显微镜场粒子显微镜（FIM）是美国宾夕法尼亚大学的E.W.Muller教授在1951年发明的一种具有高放大倍数、高分辨率、并能直接观察表面,He）在带正高压的针尖原子的研究装置。
它利用成像气体原子（H2样品的附近被场离子化，然后受电场加速，并沿着电场方向飞行到阴极荧光屏，在荧光屏上得到一个对应于针尖表面原子排列的所谓“场离子像”。
扫描隧道显微镜成像原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种使用近期发展起来的高分辨率显微技术。
它是由希刺宁和伯曼两位诺贝尔物理学奖得主于1981年共同发明的，其原理基于量子力学中的隧道效应。
隧道效应是指当具有波粒二象性的粒子（如电子）在两个不同能级之间存在势垒时，依然有一定概率穿过势垒进入另一侧的现象。
在STM中，将一个尖锐的导电探针（通常是铂铱合金）放置在样品表面上，探针与样品之间建立微小的电压差，形成微小的电流。
当调节电压差使得电流稳定，探针表面的电子会隧道穿过样品表面的势垒，产生微小的隧道电流。
针尖与样品之间的隧道电流与尖端与样品之间的距离密切相关。
当探针与样品之间的距离足够近时，隧道电流会非常敏感地变化。
通过使探针在样品表面进行细微的位置调整，可以测量针尖与样品之间的距离变化，进而得到样品表面的拓扑结构信息。
为了实现高分辨率成像，STM需要在真空环境下进行操作，以避免气体分子与探针的干扰。
探针和样品的表面都必须非常光洁，通常需要使用化学方法或者高温处理来净化。
此外，探针和样品表面的电导率也会影响扫描结果，因此需要选择合适的探针材料和样品。
STM广泛应用于凝聚态物理、表面科学以及纳米技术等领域。
它可以提供原子级别的表面形貌信息，帮助科研人员研究材料的表面性质、晶格结构和表面反应等。
同时，STM还可以通过通过在原子尺度上移动和操纵探针，进行纳米尺度的加工，开展纳米器件制备和操作。
它的发展对于材料科学和纳米技术领域的研究和应用具有重要意义。
在使用STM时，需要注意保持实验环境的稳定性，避免干扰因素的干扰。
此外，样品的准备和操纵也需要非常小心，避免对样品造成损害。
仪器的使用者需要具备一定的物理学和表面科学方面的知识，熟练掌握STM的操作方法。
总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现了高分辨率成像。
它在材料科学和纳米技术领域发挥着重要作用，为我们研究和理解原子尺度的世界提供了有力工具。
扫描隧道显微镜（STM ）实验[实验目的]1.学习和了解扫描隧道显微镜的结构和原理；2.观测和验证量子力学中的隧道效应；3.掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌；4.学习用计算机软件来处理原始数据图像。
[实验原理]一．隧道电流扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
对于经典物理学来说，当一个粒子的动能低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如上图)，这个现象称为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。
经计算，透射系数为：由式(1)可见，与势垒宽度，能量差以及粒子的质量有着很敏感的关系。
随着势垒厚(宽)度的增加，将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
扫描隧道显微镜的基本原理是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(通常小于1nm)时，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。
隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离以及平均功函数有关： 式中是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，和分别为针尖和样品的功函数，为 常数，在真空条件下约等于1。
隧道探针一般采用直径小于1nm 的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
二．扫描隧道显微镜的工作原理由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm ，隧道电流即增加约一个数量级。
因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x ，y 方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
扫描隧道显微镜简介一. 前言1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼(Gerd Bining)博士和海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM。
当时海.罗雷尔是IBM公司苏黎世研究实验室的科学家，葛.宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。
因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。
为此。
扫描隧道显微镜的发明者在1986年获得诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分享）。
二. 扫描隧道显微镜的发展过程我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质宏观结构的有力工具。
最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。
显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。
第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。
但由于光波的性质，光学显微镜的分辨能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。
扫描隧道显微技术
引言：
很久以来，人们早就知道物质是由分子和原子组成的，这些大多是通过实验间接验证的。
例如X射线衍射、电子衍射等，这种经过计算后间接得出的结果很难使人获得感性认识。
1982年G.Binnig和H.Rohrer做出了第一台扫描隧道显
微镜（Scanning Tunneling Microscope），它可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图象，使人们可以亲眼看见它们的存在，从而对微观世界的认识一下子从幻想和抽象的分析飞跃到对原子的直接观察和操纵。
目前，扫描隧道显微技术正以它前所未有的优势越来越广泛地应用在物理学、微电子、材料科学、化学、生物医学等各领域。
为了开展实验教学改革，使教学内容现代化，特将此新发明新技术推广应用到实验教学中，开出扫描隧道显微成象技术，使学生了解和熟悉最新世界科学前沿知识，丰富和活跃学生的创新思维。
实验目的：
1、掌握隧道效应的的基本原理，了解扫描隧道显微镜的基本结构；
2、掌握基本实验技术，扫描相应的样品图像。
实验仪器：
AJ－I型扫描隧道显微镜，电脑，打印机。
实验原理：
1、隧道效应
扫描隧道显微技术的工作原理是量子力学的隧道效应。
对于经典物理学来说：当一粒子的动能E低于前面的势垒的高度V
时，它不可能越过此势垒，即透射
系数等于零，粒子将完全被弹回。
根据量子力学的计算：在一般情况下，其透射系数不等于零。
也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为
隧道效应。
它是由于粒子的波动性引起的，如图（1）所示。
在一定的情况下，这种效应才会非常显著。
根据量子力学的计算，其透射系数为
T∽16E（V
0—E）exp｛—2a［2m（V
—E）］1/2/h｝/V
2 (1)
由此公式可知：T与势垒a、能量差（V
—E）以及粒子的质量m有着很敏感的依
赖关系；随着势垒厚（宽）度a的增加，T将呈指数衰减；因此，在一般的宏观实验中，人们很难观察到粒子隧穿势垒的现象。
量子力学认为：电子具有波动性，其位置是弥散的；物质表面上的一些电子会散逸出来，在样品表面四周形成电子云，在导体表面之外的空间的某一位置发现电子的概率会随着与表面距离的增大而呈指数形式的衰减。
STM是利用原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，由量子力学的隧道效应来获取样品表面图象。
当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），两个电极之间的电子云相互重叠，在针尖和样品之间施加一电压，电子在外电场的作用下因隧道效应会穿过两个电极之间的势垒，由针尖到样品形成隧道电流I。
隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间的距离S和平均功函数Φ有关 I
∽V
b
exp（—Aφ1/2S） (2)
式中V
b
是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数φ∽，Φ
1和Φ
2
分别是针尖和样品的功函数，A为常量，在真空条件下约等于1。
由上式
可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有指数的依赖关系，当距离变化0.1nm时，隧道电流则约变化一个数量级。
因此，根据隧道电流的变化，可以得
到样品表面微小的高低起伏变化的信息。
如果同时对x、y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。
2、STM装置结构
STM装置由防震减振系统、STM探头、数字化电子学控制系统和计算机等组成，如图（2）所示。
控制器
1）STM防震减振系统
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件。
由于STM工作时针尖与样品间距一般小于1nm，同时由式（2）可知，隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动，例如由说话的声音和人走动所引起的振动都会对仪器的稳定性和成象的清晰度产生影响。
在STM原子图象中，样品的表面起伏通常为0.01nm，所以外来振动的干扰必须小于0.005nm，通常由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。
因此，系统应具备非常好的防震减振效果。
对于STM有两种类型的扰动必须隔绝：振动和冲击。
振动一般是重复性的和连续性的，而冲击则是瞬态变化的。
二者当中，振动隔离是最主要的。
隔绝振动的方法主要是提高装置的固有振动频率和使用振动阻尼系统，系统通常采用气垫
防震台（或平板堆垛）加弹簧悬挂以及磁性涡流阻尼等三种综合减震措施来达到高标准的减震目的。
2）STM探头
STM探头是装置的执行部分，它包括针尖、样品、XYZ方向nm扫描器、信号检测及处理电路和步进粗调驱进装置。
计算机控制步进电机驱动使探针逼近样品，进入隧道区，通过采用差动螺纹使样品与针尖的步进稳定、精密，其步长通常为20—50nm。
XYZ方向nm扫描器由PZT压电陶瓷控制探针X、Y、Z三个方向运动，其中X、Y方向起着扫描的作用，Z方向为一套高精度、高增益的数字反馈电路，以保证装置在Z方向上的高分辨率。
STM图象的质量取决于针尖与样品间距的控制精度，扫描器的质量和电子学的噪声水平决定了其控制精度。
在针尖与样品之间的隧道电流通常只有几个pA至几个nA的大小，很容易受到外界的干扰，因此，对信号检测系统要进行很好的屏蔽。
3）计算机和控制系统
STM电子学控制系统采用DSP技术，与计算机一起构成一个主从结构的并行计算机系统，计算机通过通讯接口由DSP控制STM的各个电子学单元，其中高分辨率16bitDAC控制X、Y、Z方向和偏压，16bitADC数据采集和反馈，10KHz频响高压放大器和步进电机控制器。
4）针尖
STM成象中针尖的制备是非常关键的过程，针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。
针尖的宏观结构具有高的弯曲共振频率，因此减小了相位迟后，提高了采集速度。
当针尖的最尖端只有一个稳定的原子时而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，能够获得原子级分辨率的图象。
针尖的化学纯度高就不会涉及系列势垒。
若针尖表面有氧化层，则其电阻可能高于隧道间隙的电阻，从而导致在针尖和样品之间产生隧道电流之前，二者就发生了碰撞。
将铂——铱丝在丙酮中清洗，在放入超声中清洗，用经丙酮、超声清洗的剪刀剪尖，从而得到针尖。
实验内容及结果：
我们使用的装置是爱建纳米公司的AJ—1型STM，其仪器的主要参数为：样品尺寸Φ≤10mm，扫描范围XY方向3μm×3μm，分辨率XY方向0.1nm，Z方向0.01nm，并具有纳米级步进自动保护驱进。
将样品制备到样品座上，对于石墨样品先用透明胶均匀地按在石墨表面上，然后轻轻将其剥离，露出新鲜的石墨表面，再使样品台和样品座有良好的电接触；将针尖装在金属管中，调节微调螺丝使针尖逼近样品，用放大镜观察，在约0.1—0.2mm处停止，扣好屏蔽罩。
驱动步进电机使针尖逼近隧道区，当进入隧道区时步进电机停止，单脉冲步进，观察Z
向电压，直到接近0时关闭电机。
然后驱动XYZ三个方向的压电陶瓷，使针尖在样品上做光栅式扫描和数据采集，其隧道电流大约在1nA左右，偏压大约50mV，同时对样品不同选区和不同角度进行扫描，从而得到满意的表面成象。
图（3）是1.6μm条纹间距的光盘母盘表面形貌的三维STM视图，图（4）是Ag-TCNQ
金属有机络合物表面STM成象，图（5）是原子间距为0.25nm的高序石墨原子STM图象。
图3
图4
图5
结论：
通过以上STM成象可知，STM可清晰观察宏观样品表面，如图（3）所示；也可清晰观察样品表面微观原子图象，如图（5）所示，且获得微观原子图象操作非常简单；STM与其他传统显微镜相比见表1，光学显微镜和电子显微镜分辨率不够，而高分辨率的透射显微镜尽管能够达到较高的分辨率，但它的样品制作非常麻烦，而且在测量过程中需要高真空环境。
STM不需要昂贵而又难维护的真空设备，只要在大气环境下就可以得到稳定的、高分辨率的原子图象，而且实验装置价钱较电子显微镜便宜，性价比高。
因此，它引起了人们的强烈兴趣，在半导
体、光电子学、微电子、材料科学、纳米技术和化学生物其它邻域将有着广阔的应用前景。
表1 显微镜分辨率的比较。
