扫描隧道显微镜的原理

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
扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧穿效应，利用一根金属针尖作为探针，与样品表面形成两个电极。

当针尖与样品表面的距离非常接近（通常小于1nm）时，电子云重叠，并在它们之间施加电压，此时电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极，形成隧道电流。

隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系，因此当针尖沿物质表面扫描时，由于表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断改变，从而导致隧道电流不断变化。

这种电流变化反映了样品表面的原子级凹凸形态，将电流的这种变化图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。

扫描隧道显微镜具有超高的分辨率，横向分辨率达0.1nm，纵向分辨率达0.01nm，使人类第一次在实空间观测到样品表面的原子排布状态。

它对表面科学、纳米科学、生物医学等科学技术的研究和发展具有里程碑式的意义，被公认为上世纪八十年代世界十大科技成就之一。

标题：扫描隧道显微镜原理及应用日期：2012-5一、扫描隧道显微镜的发展人类以前仅仅靠用眼睛去观察世界，但是这是非常有限的，因为人眼能够直接分辨的最小间隔大约为0.07mm，而且，人的手也不能操纵微小的事物。

但是人类额可以利用实验仪器来完成这些。

人们发明了光学显微镜，但是光学显微镜由于自身原理的限制，只能达到100nm左右的数量级。

而后，随着电子显微镜的发明，使得人们可以分辨的事物达到了1nm或者0.1nm 的数量级。

但是这还是远远不够的。

随着人类思想和创造性的发展，一种更精密的仪器出现了。

1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（简称STM）。

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。

为表彰STM的发明者们对科学研究所作的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。

STM能够具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率可达到0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子；可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷；可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤等。

以上优点足以证明STM对人们研究科学现象有着巨大的作用。

二、扫描隧道显微镜基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学理论中的隧道效应。

对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度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。

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。

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。

扫描隧道光谱扫描隧道光谱隧道光谱是一种新兴的分析技术，可以在原子和分子水平上研究物质的电子态，具有广泛的应用前景。

在实际应用过程中，扫描隧道光谱的优越性能也被广泛赞誉和应用。

1.什么是隧道光谱？隧道光谱是一种用于表征分子表面电子结构的技术。

这种技术具有分辨率高，灵敏度高的特点，并且可以在高真空环境下直接测量原子间的相互作用。

2.扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是一种利用量子隧穿效应的显微镜。

该显微镜利用探针的尖端，通过扫描样品表面，可以测量样品表面的形貌和电子能级分布。

探针在扫描时，与样品表面的距离不会超过相邻原子之间的距离，因此可以在纳米尺度上进行测量。

3.扫描隧道光谱的应用扫描隧道光谱可以应用于许多领域，如材料科学、催化剂研究、表面科学、电子学和生物医学等领域。

在材料科学中，扫描隧道光谱可以用于分析材料表面的结构和性质。

在催化剂研究中，扫描隧道光谱可以用于研究催化剂上的活性位点。

在表面科学中，扫描隧道光谱可以用于研究表面的电学和化学性质。

在电子学和生物医学中，扫描隧道光谱可以用于制造分子电子学设备和分析生物分子的结构和性质。

4.扫描隧道光谱的发展趋势随着科技的发展，扫描隧道光谱技术也在不断地进步。

在自主创新的基础上，国内科研人员开发出了一系列高分辨率、高灵敏度的扫描隧道显微镜，并在多个领域进行应用研究。

例如，我国的储能技术、光伏技术、生物医学等领域，在扫描隧道光谱技术的帮助下，实现了重大的突破和发展。

未来，扫描隧道光谱技术将迎来更广泛的应用和深层次的研究。

5.结语扫描隧道光谱技术是一种极其有前途的分析技术，不仅在科学研究中发挥着重要的作用，而且在材料加工、生物医学、半导体工业等领域也有着广泛的应用前景。

在未来，扫描隧道光谱技术将在更多领域展现其优越性能，成为实现科学进步和社会发展的重要手段和工具。

看见微观世界扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用看见微观世界：扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近几十年来发展起来的两种重要的研究微观世界的仪器。

它们通过利用微探针对样品表面的扫描，获得高分辨率的表面形貌和电子结构等信息。

本文将介绍扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理以及它们在不同领域中的应用。

一、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜是一种利用量子隧穿效应来进行成像的仪器。

它的原理是在扫描过程中，通过置于样品和探针之间的微小电压差，使电子通过样品表面的微观障垒。

根据电子隧穿电流的强弱，我们可以获得样品表面的拓扑信息。

扫描隧道显微镜的应用非常广泛。

首先，在表面科学研究领域，它被用于研究材料的表面形貌和电子结构等特性。

例如，科学家们可以通过STM观察和操纵单个原子和分子，探索材料表面的奇特现象，进一步理解材料的性质。

其次，在生物医学领域，扫描隧道显微镜可以被用于观察和研究生物分子的结构和功能。

通过在生物大分子上进行扫描，我们可以更好地了解生物分子的结构与功能之间的关系，从而有助于生物医学研究的进展。

此外，在纳米技术领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于纳米器件和纳米结构的研究与制备。

通过STM观察和操作纳米尺度结构，我们可以探索纳米尺度下的材料特性，为纳米科技的发展提供技术支持。

二、原子力显微镜原子力显微镜是一种通过探测样品表面的力信号来获得高分辨率成像的仪器。

它的工作原理是利用探针与样品表面之间的相互作用力，来感知和测量样品表面的微小高度变化。

通过控制探针与样品之间的力保持恒定，我们可以得到准确的表面形貌和性质信息。

原子力显微镜具有广泛的应用领域。

在材料科学领域，AFM可以用于研究材料的力学性质和表面细节。

通过测量力曲线和观察样品表面的纳米级细节，我们可以了解材料的力学特性，例如弹性模量和摩擦力等。

扫描隧道显微镜实验0730******* 材料科学系李旭晏摘要：本实验运用NanoFirst-1000型扫描隧道显微镜来观察一维及二维光栅样品，并探讨各参数即积分增益、比例增益和扫描角度对扫描图像的影响。

关键词：隧道效应扫描隧道显微镜针尖制备一维光栅二维光栅积分增益比例增益扫描角度一、实验原理1.隧道效应扫描隧道显微镜的原理就是基于量子力学中的隧道效应。

在经典物理中，当粒子的能量E小于前方势垒的高度V时，它是不可能穿越此势垒的，即透射系数为零。

但在量子力学的计算中，透射系数并不等于零，如图1。

也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这一现象就称为隧道效应。

其中，透射系数为：式中，E为粒子能量，V0为势垒高度，a为势垒宽度，m为粒子质量。

可见，随着势垒宽度a的增加，透射系数T是成指数衰减的。

这也就是宏观实验中为何观察不到隧道效应的原因。

而随着a的减小，透射系数T将会急剧增大，直到我们可以观察到隧道效应。

而扫描隧道显微镜正是应用了这一点。

若将针尖与样品表面作为两个电极，那么当它们之间的距离足够小（通常小于1nm）时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极。

穿越势垒的电子的定向移动就形成了所谓的隧道电流。

隧道电流的大小为：式中，Vb为加在针尖与样品之间的偏置电压，S为针尖与样品表面之间的距离，Φ为针尖与样品的平均功函数，A为一常系数，在真空条件下，A=1。

由上式可知，隧道电流I与针尖与样品表面之间的距离S是一一对应的。

通过隧道电流I的变化，便可以得出样品表面高低起伏的形貌信息。

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STM工作的基本原理。

2.STM工作模式STM共有两种工作模式，即恒高模式和恒流模式。

恒高模式，顾名思义，就是高度恒定，即针尖和样品的高度始终保持不变。

示意图如图2.随着样品表面的高低起伏，隧道电流的大小也将相应变化。

通过记录隧道电流的变化便可以得到样品的表面形貌信息。

扫描隧道显微镜技术在纳米科技中的应用纳米科技的发展已经改变了我们生活的方方面面。

纳米技术的研究和应用已经遍及各行各业。

从材料学到医药学，从电子学到能源，科学家们都在利用纳米技术来改善我们的生活质量。

随着纳米技术的成熟和发展，测量、观察纳米尺寸下的物质变得越来越重要。

其中，扫描隧道显微镜技术（Scanning Tunneling Microscopy, 简称STM）就是其中最为重要的生产设备之一。

一、扫描隧道显微镜技术的起源及原理介绍STM 是一种高精度、高分辨率的表面成像技术，具有最高达0.1 nm 的分辨率。

它是由物理学家Binnig和Rohrer在1982 年发明的。

STM 利用量子隧穿现象，将过程理论上建立在量子力学基础之上。

隧道现象是指在一定条件下，电子从一个电极的能级穿过有细微隙缝的氧化物，进入另一个电极的能级中。

STM 的工作原理就是利用样品表面和扫描探针间的电子隧穿效应进行成像。

二、扫描隧道显微镜技术在纳米材料制备及表面成像中的应用1、在纳米材料制备中的应用。

通过占据态与非占据态的电子密度差异，STM 可以实现单个原子和分子的成像和操作，成为纳米制造和纳米学科研究的基本分析工具，被广泛应用在新型纳米材料的开发和表征中。

2、在表面成像中的应用。

STM 的分辨率可以达到零点几纳米，在表面成像领域具有十分广泛的用途，在材料领域，可以察看材料表面微细结构、表面异相、晶界、界面等微观界面因素对材料力学性质、电性质、光学性质等性能的影响。

同时，可以观察到表面上的生物分子、化学分子、表面缺陷、原子峰、孔洞等等微观结构。

三、扫描隧道显微镜技术在纳米生物学及医药学中的应用STM 技术不仅能够成像材料表面的分子结构，也可以成像单个毒素分子结构，所以它在纳米生物学及医药学研究中也被广泛用到。

STM 可以实时、定量地监测生物分子的结构、电子属性和化学特性，达到纳米尺度下进行生物学研究的目的。

1、在纳米医学中的应用。

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。