扫描隧道显微镜文案

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。

显微镜实验广告文案
你所需要的是更清晰的视线，更深入的观察世界吗？那么，来体验一场令人惊叹的显微镜实验吧！
穿越细胞的壮丽之旅，揭开微观世界的神秘面纱。

当你凝视着显微镜镜头下的样品时，平凡的事物将发现无尽的奇妙。

首先，让我们进入细胞的世界。

你会被眼前所见的细胞构造所震撼。

细胞膜、细胞质、细胞核……每个细胞都是一个微小的宇宙，拥有自己的生命活动。

然后，让我们深入研究细胞器。

在显微镜的帮助下，细胞器的神秘运作将会揭开。

你将看到粗面内质网将蛋白质转运至目的地，线粒体在无声中燃烧能量，高尔基体分泌物质，而溶酶体则扮演着“废物处理站”的重要角色。

接下来，我们将观察微生物的世界。

放大菌落，放眼望去，仿佛置身于一个巨大的城市。

微生物如此微小，却是地球上最伟大的生命力之一。

通过显微镜的放大，你能更清晰地看到细菌的形态、结构和移动方式。

最后，我们展望到显微镜在其他领域的应用。

药学、生物学、材料科学、地质学……每个领域都因显微镜的存在而变得更加深入且有趣。

它帮助解决了许多难题，推动着科学的进步。

在这段丰富多彩的显微镜实验中，你将逐渐从宏观世界转向微观世界，并探索未知的领域。

通过显微镜，你将对微小事物产
生更深的兴趣，并开启一段不可思议的科学之旅。

走进显微镜的世界，让我们一起领略无尽的微观宇宙吧！。

实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）1982年，IBM瑞⼠苏黎⼠实验室的葛·宾尼(Gerd Binning)和海?罗雷尔(Heinrich Rohrer)研制出世界上第⼀台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．与其它表⾯分析技术相⽐，STM具有如下独特的优点：1．具有原⼦级⾼分辨率，STM在平⾏和垂直于样品表⾯⽅向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原⼦．2．可实时再现样品表⾯的三维图象，⽤于对表⾯结构的研究及表⾯扩散等动态过程的研究．3．可以观察单个原⼦层的局部表⾯结构，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．4．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它溶液中．不需要特别的制样技术并且探测过程对样品⽆损伤．这些特点特别适⽤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、电化学反应过程中电极表⾯变化的监测等．5．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、表⾯电⼦阱、电荷密度波、表⾯势垒的变化和能隙结构等．6．利⽤STM针尖，可实现对原⼦和分⼦的移动和操纵，这为纳⽶科技的全⾯发展奠定了基础．STM也存在因本⾝的⼯作⽅式所造成的局限性．STM所观察的样品必须具有⼀定的导电性，因此它只能直接观察导体和半导体的表⾯结构，对于⾮导电材料，必须在其表⾯覆盖⼀层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表⾯的分辨率．然⽽，有许多感兴趣的研究对象是不导电的，这就限制了STM应⽤．另外，即使对于导电样品，STM观察到的是对应于表⾯费⽶能级处的态密度，如果样品表⾯原⼦种类不同，或样品表⾯吸附有原⼦、分⼦时，即当样品表⾯存在⾮单⼀电⼦态时，STM得到的并不是真实的表⾯形貌，⽽是表⾯形貌和表⾯电⼦性质的综合结果．【实验⽬的】1．学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；2．观测和验证量⼦⼒学中的隧道效应；3．学习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．学习⽤计算机软件处理原始数据图象．【实验仪器】NanoView-I型扫描隧道显微镜，Pt-Ir⾦属探针，⾦薄膜（团簇）样品，⾼序⽯墨（HOPG）- 76 -样品等．【实验原理】1．隧道电流扫描隧道显微镜的⼯作原理是基于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 低于前⽅势垒的⾼度V 0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．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⽽引起的，只有在⼀定的条件下，这种效应才会显著．经计算，透射系数图1 量⼦⼒学中的隧道效应)(22200016E V m a e V E V E T ≈=）（（1）由式中可见，透射系数T 与势垒宽度a 、能量差（V 0-E ）以及粒⼦的质量m 有着很敏感的依赖关系，随着a 的增加，T 将指数衰减，因此在宏观实验中，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时（通常⼩于1 nm ），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I 是针尖的电⼦波函数与样品的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)exp(21S A V I b Φ?∝（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≈ (Φ1+Φ2) /2，Φ1和Φ2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．隧道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的导电性才可以产⽣隧道电流．由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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，就可以直接得到样品的表⾯三维形貌图．图2 STM 基本构成2．STM 的结构和⼯作模式 STM 仪器由具有减振系统的STM 头部、电⼦学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组成（图2）．头部的主要部件是⽤压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x - y ⽅向- 77 -扫描电压的作⽤下，扫描器驱动探针在导电样品表⾯附近作x- y⽅向的扫描运动．与此同时，由差动放⼤器来检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压，反馈到扫描器，作为探针z⽅向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表⾯的⾼度．STM常⽤的⼯作模式主要有以下两种：（1）恒流模式如图3（a），利⽤压电陶瓷控制针尖在样品表⾯x-y⽅向扫描，⽽z⽅向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表⾯凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，当样品表⾯凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，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．将针尖在样品表⾯扫描时运动的轨迹记录并显⽰出来，就得到了样品表⾯态密度的分布或原⼦排列的图像．这种⼯作模式可⽤于观察表⾯形貌起伏较⼤的样品，且可通过加在z⽅向的驱动电压值推算表⾯起伏⾼度的数值．恒流模式是⼀种常⽤的⼯作模式，在这种⼯作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率．（2）恒⾼模式如图3（b），针尖的x-y⽅向仍起着扫描的作⽤，⽽z⽅向则保持绝对⾼度不变，由于针尖与样品表⾯的局域⾼度会随时发⽣变化，因⽽隧道电流的⼤⼩也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表⾯态密度的分布．恒⾼模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，实现表⾯形貌的实时显⽰，但这种模式要求样品表⾯相当平坦，样品表⾯的起伏⼀般不⼤于1 nm，否则探针容易与样品相撞．【实验内容】1．准备和安装样品、针尖针尖在扫描隧道显微镜头部的⾦属管中固定，露出头部约5毫⽶．将样品放在样品座上，应保证良好的电接触．将下部的两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部轻轻放在⽀架上（要确保针尖和样品间有⼀定的距离），头部的两边⽤弹簧扣住．⼩⼼地细调螺旋测微头和⼿动控制电机，使针尖向样品逼近，⽤放⼤镜观察，在针尖和样品相距约0.5—1毫⽶处停住．2．⾦膜表⾯的原⼦团簇图像扫描运⾏STM的⼯作软件，单击“在线扫描”，出现“STM扫描控制”控制界⾯．“隧道电流”置为0.25～0.3nA，“针尖偏压”置为200 ~ 250mv，“扫描范围”设为1000nm左右，“扫描⾓度”设为0 ~ 90度，“扫描速度”设为0.1s / ⾏左右，“采样”设- 78 -为256，“放⼤倍率”设为1；选择“马达控制”，点击“⾃动进”, 马达⾃动停⽌后，不断点击“单步进”或“单步退”，直到“隧道电流”的显⽰杆落⼊｜｜区域之内；如此时“平衡”的显⽰杆尚未进⼊相应的｜｜区域之内，可使⽤控制箱⾯板上的“平衡”旋钮，将其调⼊；选择“扫描⽅式”，点击“恒流模式”进⾏扫描．扫描结束后⼀定要将针尖退回！“马达控制”⽤“⾃动退”，然后关掉马达和控制箱．3．图像处理（1）平滑处理：将像素与周边像素作加权平均．（2）斜⾯校正：选择斜⾯的⼀个顶点，以该顶点为基点，线形增加该图像的所有像数值，可多次操作．（3）中值滤波：对当前图像作中值滤波．（4）傅⽴叶变换：对当前图像作FFT滤波，此变换对图像的周期性很敏感，在作原⼦图像扫描时很有⽤．（5）边缘增强：对当前图像作边缘增强，使图像具有⽴体浮雕感．（6）图像反转：对当前图像作⿊⽩反转．（7）三维变换：使平⾯图像变换为⽴体三维图像，形象直观．4．⾼序⽯墨原⼦（HOPG）图像的扫描（选做）在上⾯实验的基础上，可进⼀步扫描⽯墨表⾯的碳原⼦．⽤⼀段透明胶均匀地按在⽯墨表⾯上，⼩⼼地将其剥离，露出新鲜⽯墨表⾯，保证样品台和样品座之间有着良好的电接触．采⽤恒流⼯作模式，先将“隧道电流”置于0.25～0.3 nA，“针尖偏压”置于-200～-250 mv，“扫描范围”设为1000 nm左右，“扫描⾓度”设为0～90度，“扫描速度”设为0.1s/⾏左右，“采样”设为256，“放⼤倍率”设为1，找出新鲜的⽯墨表⾯台阶；在两台阶之间选取⼀块平坦的地⽅，逐渐减⼩扫描范围，提⾼隧道电流，增加放⼤倍率（５倍或25倍，直⾄能渐渐看到原⼦图象；最后，“扫描范围”设为10 nm以下，“隧道电流”置于0.45 nA左右，“针尖偏压”置于-255 mv左右，并细⼼地维持“平衡”的显⽰杆在｜｜区域之内，这样扫描约20分钟，待其表⾯达到新的热平衡后，可以得到⽐较理想的⽯墨原⼦排列图像．【思考题】1．恒流模式和恒⾼模式各有什么特点?2．不同⽅向的针尖与样品间的偏压对实验结果有何影响?3．隧道电流设置的⼤⼩意味着什么？4．若隧道电流能在2%范围内保持不变，试估算样品表⾯的⾼度测量的误差．【参考⽂献】[1] G. Binning and H. Rohrer, Helv. Phys. Acta, 55 (1982) 726[2] H. -J. Guntherodt and R. Wiesendanger, Scanning tunneling microscopy Ⅰ-Ⅲ, Springer-Verlag,Berlin, 1992[3] 曾谨严, 量⼦⼒学, 科学出版社[4] ⽩春礼, 扫描隧道显微术及其应⽤, 上海科学技术出版社[5] C. Julian Chen, Introduction to scanning tunneling microscopy, Oxford University Press, 1993- 79 -。

扫描隧道显微镜纳米技术的发展与扫描隧道显微镜的发明和应用密切相关。

正是扫描隧道显微镜的出现，催生出扫描隧道显微技术，并展示出诱人的功能和潜力，尤其是利用隧道扫描技术可以直接控制纳米级物质的摆放，从而给纳米技术注入了不可估量的活力。

扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在IBM苏黎世实验室发明，两位发明者因此与透射电子显微镜的发明者鲁斯卡一起获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜具有很高的分辨率，可以观察、测量物体表面单个原子和分子的排列状态以及电子在表面的行为。

可以用这么一个比喻来形容扫描隧道显微镜的分辨本领：用扫描隧道显微镜可以把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，这相当于把一个网球放大到地球那么大。

也可以利用扫描隧道显微镜的探针尖端精确操纵原子，进行单个原子和分子的搬迁、去除、添加和重组，构造出新结构的物质，是纳米科技领域重要的测量和加工工具。

1993年5月,位于美国加州Almaden的IBM研究中心的M.F.Crommie 等人,在4K（4开尔文,-269摄氏度）温度下用电子束将单层铁原子蒸发到清洁的铜表面,然后用扫描隧道显微镜操纵这些铁原子,将它们排成一个由48个原子组成的圆圈.圆圈的平均半径为7.13纳米,相邻铁原子之间的平均距离为0.95纳米.这个原子圈虽然是由离散原子组成的,因而并不连续,但却能够像栅栏一样围住圈内处于铜表面的自由电子,故而得名“量子围栏”，如下图。

之后，我国科学家亦操纵原子写出“中国”两字，并通过排列原子绘出中国轮廓图。

（话说国内技术还是不如国外哈，两字写得真难看。

）扫描隧道显微镜的工作原理非常简单，基于量子力学的隧道效应和三维扫描。

一根非常细的钨金属探针（针尖极为尖锐，仅由一个原子组成，为0.1~1纳米）慢慢地划过被分析的样品，如同一根唱针扫过一张唱片。

在正常情况下互不接触的两个电极（探针和样品）之间是绝缘的。

然后当探针与样品表面距离很近，即小于1纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。

扫描隧道显微镜之马矢奏春创作20世纪重年夜科技功效之一关键词：扫描隧道显微镜隧道效应分辨率控制电路摘要：扫描隧道显微镜是利用探针尖端与物质概况原子间的分歧种类的局域相互作用, 来丈量概况原子结构和电子结构的显微新技术, 它的呈现被科学界誉为是概况科学和概况现象分析技术的一次革命．扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelins Microscopy以下简称STM）是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微概况研究新技术, 其核心思想是利用探针尖端与物质概况原子间的分歧种类的局域相互作用来丈量概况原子结构和电子结构．1981年在IBM公司瑞士苏黎世实验室工作的G．宾尼希（G．Binning）和H．罗雷尔（H．Rohrer）利用针尖和概况间的隧道电流随间距变动的性质来探测概况的结构, 获得了实空间的原子级分辨图象．这一发明使显微科学达到了一个新的境界, 并对物理、化学、生物、资料等领域的研究发生了巨年夜的推举措用．为此G．宾尼希和H．罗雷尔于1986年被授予诺贝尔物理奖．1．显微镜的历史人类观察微小物体的历史是从放年夜镜开始的, 然后进人光学显微镜时代．据说世界上第一台光学显微镜是荷兰的眼镜师詹森父子于1590年偶然发明的．詹森父子制造的显微镜是一支可以伸缩的管子, 在它的两头各放了一片凸透镜, 当管子的长短调节得合适的距离, 用它可以看清很小的物体．在那时人们仅是把他制作了这种管子看成玩具, 并没有用到科学研究上．直到十七世纪中叶, 才真正认识到显微镜发明的科学意义, 人们竞相利用显微镜观察微观世界, 并给生物学带来了划时代的进步．尤其是英国物理学家罗伯特·胡克（R．Hooke1635一1703）, 使用自制的显微镜观察生物, 并于1665年出书了《显微镜图集》．为了提高放年夜率, 人们必需增加透镜的数目, 但随着透镜数目的增加, 便遇到了透镜像差．所谓透镜的像差, 就是经过透镜所成的像会发生畸变、弯曲或延展等缺陷, 当放年夜率增年夜时, 透镜的这些缺陷也随之扩年夜, 物象也就变得模糊起来, 这样就失去了增年夜放年夜率的真实意义．十八世纪中叶, 德国数学家欧拉（L．Euler 1707—1783）和英国光学家J·多隆特（J．Dellond 1706—1761）等人发现了用分歧的玻璃制作的透镜加以组合消去色差的法子, 这一发现增进了对光学玻璃的研究．到了十九世纪中叶, 光学显微镜的放年夜率已达到l000到1500倍左右；人们发现, 如果再提高显微镜的放年夜率, 映像将变得极不清晰, 这就说明光学显微镜的放年夜本事有一个难以超越的极限．那么, 光学显微镜的性能为什么会有这个难以超越的极限呢？决定这个极限的因素是什么？德国耶拿年夜学的阿贝（E．Abbe 1840—1905）从摆荡光学的基础对显微镜的映像理论进行了分析, 他认为：问题其实不在于显微镜自己, 而起因于作为成像媒介的光波．光线是具有一定波长的光波, 光波遇到粒子会发生衍射效应．当粒子小于光的波长时, 光波将绕过粒子, 因而不发生粒子的阴影, 我们也就看不清粒子的像．光学显微镜是用可见光来观察物体的, 由于光的摆荡性发生的衍射效应使光学显微镜的分辨极限只能达到光波的半波长左右, 确切的表达式为：1）其中λ为波长, α为物镜的孔径角, N为折射率, d为最小可分辨长度．显然在可见光范围内d的最小值约为0．3μm．阿贝从理论上推得, 光学显微镜的分辨本事不超越2000Å, 这个数值与实验获得的极限值一致．由阿贝理论得知：如果利用波长更短的波来作为像的形成源, 显微镜的分辨本事有可能进一步提高．本世纪二十年代, 法国物理学家德布罗意（de．Broglie 1892—1980）发现：一切微观粒子, 例如：电子、质子、中子等, 也具有摆荡性．人们把这种波称为德布罗意波．电子的德布罗意波长为：2）其中h为普朗克常数, 电子受电场V加速获得动能, 其速度为：所以当加速电压在几十千伏以上时, 考虑相对论修正, 则有：3）式中m0为电子静止质量, c为光速．当电子被100kV的电压加速时, 电子的波长为0．0037nrn．显然, 电子的波长比光波的波长短很多, 比γ射线的波长还短．于是, 人们立即想到是不是可以利用电子束来取代光波？1932年, 德国年轻的研究员E·卢斯卡（E．Ruska 1906—1988）等人, 第一次用电子束获得了钢网放年夜形成的电子像, 它雄辩地证实了使用电子束可以形成与光学透镜完全无异的像, 从此开始了电子显微镜的历史．显然电子显微镜的分辨本事年夜年夜高于光学显微镜．现代高分辨透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）分辨率优于0．3nm, 晶格分辨率可达0．l～0．2nm．几十年来许多分析方法和仪器相继问世, 如：场离子显微镜（Field Ion Microscopy, FIM）, 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）, 俄歇谱仪（Auger ElectronSpectroscopy, AES）, 光电子能谱（X－ray Photoemission Spectroscopy, XPS）, 低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction, LEED）等等, 这些技术在概况研究中都起着重要作用．可是任何一种技术都有一定的局限性, 如透射电子显微镜主要研究薄膜样品的结构, 场离子显微镜只能探测曲率半径小于100nm的针尖状样品的原子结构, 俄歇谱仪只用以提供空间平均的电子结构信息, 且这些技术只在真空环境下才华工作, 并对样品将发生一定水平的损伤；因而电子显微镜也存在着自身的缺陷性．2．STM 的理论依据依照经典物理学计算标明, 微观粒子不能越过比它自身能量高的势垒, 就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样, 粒子的能量没有达到使它们可以越过这座山而跑到外边去．但量子力学认为, 由于微观粒子具有摆荡性, 当一粒子进入一势垒中, 势垒的高度Φo 比粒子能量E 年夜时, 粒子穿过势垒呈现在势垒另一边的几率p （z ）其实不为零（如图1所示）, 即粒子在偶然间可以不从山的上面越过去, 而是从穿过山的一条隧道中通过去, 人们称这种现象为“隧道效应”．依照量子理论可推导出在两平板电极间的粒子穿过势垒的电流密度为：如图（1）势垒示意图 s k T o o e V s k h e J 2224-⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=π（4）其中h 为普朗克常数, V T 为板间电压, k o 为功的函数, s 为两个电极的间距．J 和极间距s 成指数关系, 若s 增加 0．1nm 时, 电流将改变一个数量级．当一个电极由平板状改酿成针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流．计算结果是：)()](1[)(22νμμννμνμσπE E M eV E f E f h e I -+-=∑（5）其中)(E f 是费米统计分布函数,V是针尖和概况之间电压, Eμ和Eν分别是针尖和概况的某一能态, Mμν是隧道矩阵元．, 括号中的量是电流算符, 积分对整个概况进行；这就是STM的理论依据．3．STM的技术实现任何一项重年夜科技进步都是在前人众多胜利的经验和失败的教训基础上, 由若干具有远见卓识的人经过持之不懈的探索再加之以画龙点睛式的创举才华够取得的, STM发明也不例外．早在50年代, 就有人提出过STM的最初设想, 那时他们希望用光束透射一个极细小的圆孔来获得显微图象．因为技术条件不成熟而未实现．70年代初, 一位名叫罗伯特·杨（R．Yang）的科学家在“场发射显微镜”的仪器关键部位上已经做到了和如今的STM 非常接近．杨和他的同事们采纳了一个极细小的针尖, 通过扫描样品概况来获取显微图象．然而, 他们并未利用隧道电流, 而是通过在针尖上加一个高电压, 从针尖最尖端发射出一束微小电流（称为场发射电流）, 冲击到样品概况上, 进而观察到其概况形貌．这种被杨称作“形貌仪”的显微镜分辨率只达到一般光学显微镜的水平（0．2微米）．原因是杨的“形貌仪”傍边, 针尖与样品概况的距离隔得太远, 针尖与样品概况发生不了隧道电流, 而只能依靠针尖前真个场发射电流来成像, 分辩率固然不会太高．宾尼希和罗雷尔在看到杨的“形貌仪”后, 立即发生了一种天才的想法, 利用隧道效应再发明一种新型显微镜．从实际把持的可行性上宾尼希和罗雷尔花了很长时间才使这一设想趋于成熟, 并付诸实际应用, 于1979年提出了STM 这一新型显微镜的专利申请．在1981年, 他们制作了第一台STM 实体, 并获得了若干高分辨率显微图象．他们制成的这种新型显微镜达到前所未有的惊人的高分辨率, 一举观测到了单个原子的真面目．若以针尖为一电极, 被测固体概况为另一电极, 当它们之间的距离小到纳米数量级时根据公式（4）可知：电子可以从一个电极通过隧道效应穿过空间势垒达到另一个电极形成电流, 其电流年夜小取决于针尖与概况间距及概况的电子状态．如果概况是由同一种原子组成, 由于电流与间距成指数关系, 当针尖在被测概况上方做平面扫描时, 即使概况仅有原子标准的起伏, 电流却有成十倍的变动, 这样就可用现代电子技术测出电流的变动, 它反映了概况的起伏．当样品概况起伏较年夜时, 由于针尖离样品仅纳米高度, 恒高度模式扫描会使针尖撞击样品概况造成针尖损坏, 此时可将针尖安排在压电陶瓷上, 控制压电陶瓷上电压, 使针尖在扫描中随概况起伏上下移动, 在扫描过程中坚持隧道电流不变（即间距不变）, 压电陶瓷上的电压变动即反映了概况的起伏．这种运行模式称为恒电流模式, 目前 STM 年夜都采纳这种工作模式．STM 主要部件可以分为三年夜部份：隧道显微镜主体、控制电路、计算机系统（丈量软件及数据处置软隧道显微镜主体控制电路 计算机系统件）如图（2）．隧道显微镜在正常工作时针尖与样品概况的间距仅为纳米标准, 而且间距的微小变动城市引起电流的剧烈变动．任何建筑物都有振动, 其谐振频率在20Hz附近, 振幅可达微米量级, 还有人的运动和声音的传布等发生的振动城市影响隧道电流的稳定性．所以STM一般需要采用严格的隔震办法和与环境隔离的办法来保证其获得原子级的分辨能力和稳定的图象．为了获得原子级的分辨本事, STM的针尖结构如图（2）为扫描隧道显微镜构造原理图十分关键, 针尖的粗细、形状和化学性质不单影响STM图象的分辨率和图象的特性, 而且在谱的测定中影响所测定的电子态．理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子, 而且针尖的概况没有氧化层和吸附物质, 这样才华获得稳定的隧道电流和原子级分辨率的图象．经常使用的针尖资料为钨或铂铱合金, 钨针尖由于刚性好而被广泛使用, 但其概况容易形成氧化物, 所以在使用前需要加以适当处置并坚持在真空中．铂铱针尖由于其高度的化学稳定性尤其适合于年夜气或液态环境中使用．针尖的制备一般采纳电化学腐蚀方法, 在NaOH或KOH溶液中将钨丝作为阳极, 施加交流或直流电压, 控制电压和电流及其它电化学参数可使腐蚀后的针尖尖端曲率半径小于50nrn．STM由计算机控制数一模变换提供阶梯电压, 经过直流高压放年夜器后, 分别加在一平面压电陶瓷管的外电极上, 使针尖沿二维平面方向作光栅扫描．隧道结电流经过控制电路进入计算机系统与预定电流设置值比力, 不相等时根据差值符号和幅度输出相应控制值, 经过高压放年夜来改变扫描机构压电晶体的伸长或收缩, 使隧道电流稳定在预定的设置值．控制电路的其它部份是用于控制步进机构和提供偏压等功能．由于隧道电流非常微弱仅为纳米量级, STM要求各机械运动部份十分稳定, 所以控制电路除要求高灵敏度、高稳定度等性能外, 其噪声必需很小．4、STM的优越性及其应用STM的分辨本事非常之高, 年夜年夜优于一般的电子显微镜, 它的横向（概况）及纵向（深度）分辨率可以达到1埃至0．l埃, 而一般的电子显微镜仅能达到几十纳米分辨率就相当不错了．用STM来观察石墨时, 它概况上的碳原子在显微图象上就像一个小馒头一样清晰．STM还可以直接观察到物质概况的三维立体图象, 能够获得物质概况的局域结构信息以及电子信息．在STM仪器上可以同时探测扫描隧道谱（STS）而获得物质概况的势垒高度、电荷密度波等物理参数, 这都是电子显微镜无法做到的．电子显微镜只能够在高度真空的条件下才华工作；而STM既可以在真空也可以在年夜气中工作．工作环境可以是常温, 也可以是高温；甚至可以把样品浸泡在水里, 电解液里, 或者液氮傍边．这就年夜年夜拓宽了STM的应用范围, 许多只能在溶液中坚持活性的生物样品, 只有采纳STM才华够做出最接近自然状态的观察．STM的针尖还可以用来移动和把持单个的原子和分子, 这是其他任何类型的显微镜都做不到的．电子显微镜由于附带了真空系统, 体积上都显失宠年夜粗笨, 而在年夜气环境中工作的STM则小巧玲珑多了．一台STM只由三部份组成, 每部份的体积都不会超越一般的个人用微型计算机．STM使人们第一次能够直接观察到原子在物质概况的排列状态和跟概况电子行为有关系的物理化学性质．因此, 它对概况科学、资料科学、生命科学和微电子技术的研究都有着重年夜的意义和广阔的应用前景．科学界一致认为, STM的呈现是概况科学和概况现象分析技术的一次革命．借助性能如此优越的显微镜, 中外科学家在众多领域里, 开展了各种卓有成效的研究工作, 解决了许多理论和实验上的疑难问题．这里只举出一个最经典的研究实例：硅的7×7概况重构问题．硅是一种最经常使用的半导体资料, 它的内部结构属于晶体类．在晶体的概况, 构成晶体结构的基本单元——晶胞, 往往会发生一定的变动, 重新形成概况上特有的晶胞结构, 这种现象称为概况重构．概况重构后的基本结构与晶体内部相比, 可以用一些数字化的指标来进行表征分类．例如可有2×1、5×5、7×7等概况重构, 意为概况的基本组成结构和晶体内部的基本单元晶胞相比, 在某一方向上增年夜几多倍等等．硅概况的重构现象究竟属于哪一种？这个问题困扰了科学家们长达30多年．其间有人用X射线衍射, 低能电子衍射等手段观察过屡次, 始终只是获得推测的重构模式．而没有直观的图象．宾尼希和罗雷尔发明STM后不久, 即把它应用于观察硅的概况重构, 从显微照片上（如如图（3）为Si（111）概况图 4）清晰地显示出硅概况发生了7×7重构而不是其他类型．如今, 硅概况（7×7）再构图示7×7重构的图象已成为 STM发展史上的一张非常经典的图象, 而且, 许多STM实验室都可在超高真空条件下, 轻而易举地获得这一结果．STM对金属概况原子结构、金属的氧化和腐蚀机理等进行了深入的研究．例如研究Cu概况具有分歧氧覆盖度时, 通过氧在概况化学吸附诱导铜概况再构的形成和生长过程, 发现在Cu（100）概况每隔4行丧失1行铜原子, Cu－O－Cu原子链在Cu（100）概况某一方向成核, 然后外延生长．而在Cu（100）概况在分歧氧覆盖度时有多种再构情况, 其中（2×1）再构是先在平整的平台上成核, 然后各向异性地生长出Cu－O－Cu链, 而Cu（ 6×2）再构却先在台阶边缘上成核, 然后各向异性生长．STM还用于超导资料的研究, 它可以在原子标准的T c氧化物超导体的BiO面电子态密度丈量, 结合其它分析技术就可确定资料分歧层的电导特性．已有许多实验室将STM用于薄膜生长机理研究和薄膜结构性能的研究．例如对C60分子薄膜在Si和GaAs分歧晶面上的生长过程研究, 弄清了生核初始阶段的标度规律和成核设置．STM可在年夜气和液态环境下使用, 而且对样品不发生损伤.这些特点对生物研究特别具有吸引力．以往用电镜研究生物样品, 由于必需在真空中进行, 所以样品处于脱水状态, 引起样品状态的极年夜变动．STM已应用于核酸结构、卵白质、酶、生物膜结构研究中, 并取得一系列进展．例如对决定人类遗传性状的年夜分子DNA的研究, 用STM获得了在分歧环境下（水、年夜气、真空）DNA分子的形貌, 能在接近原子标准上观察DNA的结构, 测定DNA双螺旋的螺距、碱基对间距、碱基对夹角等重要参数．第一张DNA分子的STM图像于1989年1月如图（4）为DNA分子的STM图像问世（如图4）, 被评为昔时美国的第一号科技功效．1990年中国科学院上海原子核研究所单分子检测和单分子把持实验室利用自制的STM, 与中国科学院上海细胞生物学研究所及前苏联科学院分子生物学研究所合作, 首次获得了一种新的DNA构型——平行双链 DNA（Parallel strandedDNA）的STM图像．一切生命物质中的DNA复制过程是每时每刻在进行着, 但过去人们从未直观见过, 中国科学院生物化学研究所利用STM拍摄到了表征DNA复制过程中一瞬间的照片, 即对DNA生物年夜分子的把持和拍摄生命体系内部生化反应时引起的年夜分子结构的静态变动——所谓“分子片子”已成为前沿课题, 这对生命科学和人类基因组学研究有重要意义．STM从发明至今, 不外短短十几年时间．正如宾尼希和罗雷尔在他们的诺贝尔演讲题目中所形容的一样, STM从出生、发展到现在, 还只是处于它的青少年时期．虽然在某些方面还时而显露稚气, 然而究竟已经锋芒初露, 正在以它的旺盛的生命力茁壮生长．继STM之后, 又有一批基于STM工作原理或扫描成像方法的派生显微镜相继问世, 如原子力显微镜、光子扫描隧道显微镜, 弹道电子发射电子显微镜、摩擦力显微镜、磁力显微镜、分子力显微镜等等, 这些进展充沛显示了STM蓬勃发展的势头和巨年夜的影响力；科学家仍预言, STM将在不久的将来进入它辉煌的壮年时代．参考书目：［1］．R．Wiesendanger, H．Guntherodt．Scanning Tunneling Microscopy．Springer-Verlag BerlinHeidelberg, 1992．74～79．［2］．白春礼．扫描隧道显微镜及其应用．上海：上海科学技术出书社, 1992．43～66．［3］．陆廷济胡德敬陈铭南主编．物理实验教程．上海：同济年夜学出书社．2000．248～250．［4］．倪光炯等编著．改变世界的物理学．上海：复旦年夜学出书社．1999．194～197, 364～365．［5］．白春礼．原子和分子的观察与把持．长沙：湖南教育出书社．1996．120～122．［6］．郭奕玲沈慧君．诺贝尔物理学奖．北京：高等教育出书社．海德堡：施普林格出书社．1999．411～416．。

扫描隧道显微镜姓名：马锦锦学号：112133 专业：农产品加工与贮藏摘要:本文较为详细地介绍了扫描隧道显微镜( Scann ingTunne lingM icroscopy, STM )的基本结构、工作原理及模式，并阐述了STM 在表面结构的观测、表面化学反应、表面微细加工、单原子操作、诱导发光等领域的应用。

最后还简单介绍了STM的研究进展。

关键字:扫描隧道显微镜；结构；原理；应用；进展1引言扫描隧道显微镜( Scanning TunnelingMicroscope, 简称STM ) 是由IBM 苏黎士研究中心的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 于1982 年发明的，它是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜。

STM使人类能够在实空间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[9]。

它的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空状态下工作，对样品表面也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶、纳米相样品；其工作温度可以从4.2K到1000K，特别是STM 可以与其他实验设备结合, 使其应用更加灵活、有效[13]，在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域都获得了广泛的应用，被公认为20 世纪80 年代十大科技成就之一。

STM是继高分辨透射电子显微镜场、离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步[12]，人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，在原子和分子水平，根据人们的意愿设计、修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。

2STM的基本结构一般说来扫描隧道显微镜主要由三个大部分组成：隧道显微镜的主体（主要是探针针尖）、控制电路、计算机控制( 测量软件及数据处理软件)[1]。