下载文档原格式
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。
实验八扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope（STM）引言上世纪八十年代初，IBM Zurich 实验室的Binnig 和Rohrer 发明了扫描隧道显微镜(scanning Tunneling Microscope，简称STM )，很快他们就因此获得了诺贝尔物理奖。
当初他们的动机仅仅是为了了解很薄的绝缘体的局域结构、电子特性以及生长性质，可是当他们想到用“电子隧穿”可以进行局域探测后，STM 这个局域探测手段便应用而生了。
STM 一出现，人们就为它的威力所震撼，随后他的家族成员如扫描力显微镜(Scanning ForceMicroscope, SFM), 磁力显微镜( Magnetic Force Microscope, MFM)及近光学场显微镜(Scanning Near-Field Optical Microscope, SNOM)等相继诞生，并在科学技术领域迅速地发挥越来越大的作用。
作为显微镜，STM 的优越性首先在于其高分辨率本领。
它平行于表面的(横向)分辨本领为一埃，而垂直于表面的(纵向)分辨本领优于一埃。
当然，STM 还有更多的优越之处。
例如电镜和扫描电镜(SEM))不能对表面原子成像；高分辨透射电镜(TEM)主要用于对体或界面的成像，并且只局限于很薄的样品；场发射显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)只能探测半径小于1000埃的针尖表面的二维的原子几何结构，并且要求表面在强电场的作用下是稳定的。
而STM 却避开了这些困难，它与其它显微镜的的主要区别在于：它不需要粒子源，亦不需要透镜来聚焦。
和常规的原子级分辨仪器(如光衍射及低能电子衍射等)相比，其优越性则在于，第一，它能给出实空间的信息，而不是较难解释的K 空间的信息；第二，它可以对各种局域结构或非周期结构(如缺陷、生长中心等)进行研究，而不只限制于晶体或周期结构。
除此之外，STM 不仅能提供样品形貌的三维实空间信息、给出表面的局域电子态密度和局域功函数等信息，而且还能在介观尺度上对表面进行可控的局域加工并对加工产生的纳米结构进行各种研究。
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
摘要：作为研究物质微观结构的有力工具，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）与其它种类的显微镜相比，它的分辨本领却可以达到10-10 米。
以量子力学为基础的扫描隧道显微镜，可以在大气、液体、真空状态下工作，可以在4.2 K 到1000 K之间的温度下工作；并且对样品也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面；特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合，应用更加有效、灵活.因此，扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用，并取得了一系列重要的研究成果。
关键词：扫描隧道显微镜；隧道效应
1 扫描隧道显微镜（STM）简介
在探索微观世界的过程中，人类就通过不懈努力希望观测到物质的微观世界。
17世纪,世界上第一台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始人类使用仪器研究微观世界的新时代[1]。
但是，由于受光波波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10-6米—10-7米。
20 世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨本领达到了10-8米。
有了电子显微镜，比细胞小的多的病毒也露出了原形.增强了人们观察微观世界的能力。
1982 年，格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔
（H ．Rohrer ）在IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope ）。
两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986 年诺贝尔物理学奖[2]。
利用量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜， 它的分辨本领甚至达到了10-10米。
2 扫描隧道显微镜（STM ）的原理
根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流.扫描隧道显微镜（STM ）就是利用这一原理制成的.将被研究的物质（必须是导体）表面和探针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于1nm 左右时，在外加电压的作用下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流I.这个电流满足如下关系：
)exp(2/1S l KV I φ-=
其中，K ，l 是常数；V 是施加在探针和样品之间的电压；Φ是探针和样品的平均功函数， 它和探针、样品的材料功函数有关,Φ≈Φ1+Φ2；S 是探针和样品间的距离。
通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品， 它们的平均功函数Φ是一个定值，那么隧道电流I 是电压V 和距离S 的一个函数。
探针和样品表面的距离S 对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S 的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。
因此， 保持电压V 的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面X-Y 方向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间距
离S（1nm左右），使探针位于样品表面某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电流的强弱，用不同的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）。
如图1 所示，给压电陶瓷施加一个偏向电压，压电陶瓷将带动探针在样品表面沿X方向（或Y 方向）做微小定向移动。
当移动的探针遇到原子时，探针和样品间的距离S减小，电流I明显增加；当移动的探针位于相邻原子的间隙时，探针和样品间的距离S增加，电流I明显减小。
最后，随着探针在样品表面的逐行的扫描，微机会将探针在不同位置时的电流记录下来，并用不同的颜色加以区分。
这样，我们就得到了一张反映样品表面的不同位置，不同颜色的图像。
而这个图像恰恰反映了样品表面的微观结构。
如图2 所示，通过这个图像，我们可以得到样品表面原子状态的有关信息。
图1 原理示意图
图2 石墨样品表面微观结构
3 扫描隧道显微镜（STM）的应用
对于光学显微镜而言，光的衍射现象，导致小于光的波长的一半的细节在显微镜下很难分辨.而利用量子力学中隧道效应制成的扫描隧道显微镜(STM)却具有更强的分辨能力，扫描隧道显微镜的原理使它在观测物质表面微观结构方面成为非常有效的工具。
扫描隧道显微镜的优点是很显见的：（1）扫描隧道显微镜的分辨本领高，可以达到10-10米；（2）扫描隧道显微镜可以对物质微观结构进行无损探测，避免样品受到破坏或者样品性状发生变化；（3）可以利用扫描隧道显微镜实现单原子的移动和提取操纵。
通过扫描隧道显微镜，我们可以直观地看到样品表面的微观结构，进而分析样品表面的化学和物理性质。
例如：利用扫描隧道显微镜，生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等。
在扫描隧道显微镜问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。
在化学和生物学方面：通过放置在超高真空中扫描隧道显微镜，可以观测固体表面金属原子的吸附结构。
在化学各学科的研究方向中，扫描隧道显微镜在电化学领域也得到了广泛的应用，并且制成了适合研究电化学领域的扫描隧道显微镜。
在研究有机分子方面，利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像，可以观察到有机分子的3维结构。
基于此，在生物学领域中，观察DNA、重组DNA 及HPI- 蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测。
在纳米材料加工领域的应用：纳米材料是指，材料基本结构单元至少有
一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm)，并由此具有某些新特性的材料。
对于纳米材料的制备，是当今社会研究的一个热点问题。
现今，纳米材料的制备方法主要有三种：（1）惰性气体下蒸发凝聚法；（2）化学方法；（3）物理气相法和化学沉积法的综合方法。
人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为。
使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置。
如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间，那么在探针和样品间产生交替变化的电场.强电场的蒸发电场的蒸发作用，使样品表面的原子可以被吸附到针尖上，并且使单原子可以随针尖移动，沉积。
通过对单原子的控制，人们可以制作大容量存储器.随着科学技术的不断发展，扫描隧道显微镜（STM）作为观测微观物质表面结构和操控单原子的有力工具，必将起到其重要的作用，并在此过程中得到长足的发展。
参考文献
[1] 程舒雯.扫描隧道显微镜性能优化及实用化研究[D].浙江大学,2003.
[2] 张振宇,李鸿琦.基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究[D].天津大学,2005.。
