扫描隧道显微镜
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扫描隧道显微镜STM
5)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．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、超一身地创、电化学反应过程中 电极表面变化的监测等。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 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．
3) 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。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等．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 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．
3) 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。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等．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。
扫描隧道显微镜原理与制备技术介绍
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STM
单分子化学反应已经成为现实
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
5
2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
6
2.STM的原理
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。
16
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
17
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
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2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
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2.STM的原理
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。
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溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
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图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
扫描隧道显微镜(STM)
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图9-4
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图9-5
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
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（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
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（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
1 2 3 4
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三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
图9-4
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
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（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
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（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
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三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
扫描隧道显微镜
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
3、工作模式
根据针尖和样品的相对运动方式不同，工作模式分为恒电流
模式和恒高模式。
一、STM结构及工作原理
恒高模式是在扫描过程中切断反馈回路保持针尖的高度不变，
记录隧道电流的大小值。
恒高模式适于观察表面起伏较小的样品，一般不能用于观察
表面起伏大于1 nm的样品。在恒高模式下，STM可进行快速扫描，
测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显
微装置。
那么什么是隧道效应？根据量子力学原理，由于粒子存在波
动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另
一边的几率不为零， 这种现象称为隧道效应。
一、STM结构及工作原理
由于隧道效应，金属中电子不完全局
限于金属表面之内，电子云密度并不在表
通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的
原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。
二、STM特点
配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到
有关表面局域电子结构的信息。
二、STM特点
STM技术局限性：
不能探测深层结构信息。
扫描范围小。
无氧化层覆盖。
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法 机械成型法 制备方法 聚焦离子束铣削法 电子束诱导化学气相沉积法 场致蒸发法
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法
多用钨丝作针尖，所得到针尖直径可
小于100Ȧ。
以不锈钢或铂为阴极，以钨丝为阳极，
安装在一个高度可调节测微仪上，两极
流，便可获得隧道电流随偏压(I-Vb或dI/dVb-Vb)变化曲线 ，即扫
扫描隧道显微镜
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
i Ue A d A — 常量
— 样品表面平均势
垒高度（~ eV）
。 d ~ 1nm（ 10A ）
d 变 i 变，反映表面情况
d 变 ~ 0.1nm i 变几十倍，非常灵 敏。竖直分辨本领可达约10 2 nm
横向分辨本领与探针、样品材料及 绝缘物有关，在真空中可达 0. 2 nm。
技术关键：
1. 消震：多级弹簧，底部铜盘涡流阻尼。 2. 探针尖加工：电化学腐蚀，强电场去污，
针尖只有1~2个原子！ 3. 驱动和到位：利用压电效应的逆效应 —
电致伸缩，一步步扫描，扫描一步 0.04nm，扫描1(m)2 约0.7s。
4. 反馈：保持 i 不变 d 不变（不撞坏针尖）
显示器
1991年2月IBM的 “原子书法”小组又 创造出“分子绘画” 艺术 — “CO 小人”
图中每个白团是单个 CO分子竖在铂片表面 上的图象，上端为氧 原子 CO分子的间距： 0.5 nm “分子人”身 高：5 nm堪称世界上 最小的“小人图”
48个Fe原子形成“量子围栏”，围 栏中的电子形成驻波。 Fe原子间距： 0.95 nm，圆圈平均半径：7.13 nm
压电 控制
加电压 反馈传感器
隧道 电流
参考信号
扫描隧道显微镜示意图
中国科学院化学研究所研制的CST图象
用原子操纵写出的“100”和“中国”
1991年恩格勒等用STM在镍单晶表面逐个移动 氙原子，拼成了字母IBM，每个字母长5纳米
扫描隧道显微镜（STM）
（Scanning Tunneling Microscopy）
扫描隧道电子显微镜
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的
STM的工作模式
• 尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下 述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的 机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子 系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方 式：恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使 其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖 在样品表面扫描，即是使针尖沿 x、y 两个 方向作二维运动。由于要控制隧道电流不 变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保 持不变，因而针尖就会随着样品表面的高 低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息 也就由此反映出来。这就是说，扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面，显 微图象质量高，应用广泛。
?3扫描隧道显微镜可在真空常压空气甚至溶液中探测物质的结构它的优点是三态固态液态和气态物质均可进行观察而普通电镜只能观察制作好的固体标本由于没有高能电子束对表面没有破坏作用如辐射热损伤等所以能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究样品不会受到损伤而保持完好
扫描隧道电子显微镜
SCANNING TUNNELING MICROSCOP 简 称 STM 发明者 格尔德· 宾宁
隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
扫描隧道显微镜ppt
扫描隧道显微镜的工作模式
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恒高模式
在ห้องสมุดไป่ตู้模式下，针尖在固定的高度位置进行扫描 ，适用于表面高度变化较大的样品。
恒力模式
在此模式下，针尖根据表面形貌调整自身高度 ，以保持恒定的力，适用于表面高度变化较小 的样品。
交流模式
在此模式下，针尖与样品之间存在小幅度的振 动，以实现更精确的表面形貌扫描。
01
扫描隧道显微镜（STM）是一种基于量子力学隧道效应的测量技术，它能够直 接探测样品表面的原子结构，具有极高的分辨率和灵敏度。
02
STM技术自1981年被发明以来，已经广泛应用于物理、化学、生物学等各个领 域，成为研究物质表面结构和电子态的重要工具。
03
在过去的几十年中，STM技术不断发展和完善，不仅在实验上取得了许多重要 的成果，如原子操纵、单分子检测等，同时也促进了理论计算和模拟方法的发 展。
扫描隧道显微镜的应用范围
材料科学
用于研究材料表面的微观结构和物理性质，如表 面重构、吸附和脱附等。
生物学
用于研究生物分子和细胞膜的表面结构和功能， 如DNA和蛋白质的微观结构等。
环境科学
用于研究表面污染和环境变化对材料表面的影响 。
03
扫描隧道显微镜的优缺点
扫描隧道显微镜的优点
原子级分辨率
扫描隧道显微镜具有原子级的分辨 率，能够观察和解析材料表面的原 子结构。
分子构造研究
STM可以用于研究分子尺度的构造 和化学键信息，为理解分子性质提 供基础数据。
在生物领域的应用
细胞结构研究
STM可以用于观察细胞表面的结构、分子分布等，为生物医学 研究提供新的视角。
病毒构造研究
STM可以用于解析病毒的原子级别结构，为疫苗研发等提供关 键信息。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器，能达到原子级的超高分辨率。
扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作为在极其细微的尺度——即纳米尺度（1nm=10-9m）上实现对物质表面精细加工的新奇工具。
目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。
一门新兴的学科——纳米科学技术已经应运而生。
中国科学院化学研究所隧道显微学研究室的科学家正奋力投入纳米科学技术的研究，运用扫描隧道显微学方法，已于1992年成功地在石墨表面刻写出纳米级的汉字和图案。
用扫描隧道显微镜在高定向裂解石墨表面上刻写的汉字“中国”，其中笔画的线条宽度为10nm。
如果用这样大小的汉字来书写《红楼梦》一书，只需大头针针头那样小的面积，就可写进全书的内容。
用扫描隧道显微镜画出来的中国地图其比例尺为l∶1013。
这是目前世界上最小的中国地图。
扫描隧道电子显微镜
隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
离线数据分析软件
主要特点
• 扫描隧道显微镜具有以下特点∶ • 1、高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为 l Å ， 纵向分辨率达0.1 Å. 可以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等。 • 2、扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，绘出立体三维结构图像。并且可 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。 • 3、扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气、甚至溶液中探测物质的结构，它的优 点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的 固体标本，由于没有高能电子束， 对表面没有破坏作用(如辐射，热损伤等)，所以 能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究，样品不会受到损伤而 保持完好。 • 4、扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生 命过程的动力学研究。 • 5、不需任何透镜， 体积小，有人称之为“口袋显微镜”(pocket microscope)。 • 6、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。
恒高度模式
• 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝 对高度不变；于是针尖与样品表面的局 域距离将发生变化，隧道电流 I 的大小也 随着发生变化；通过计算机记录隧道电 流的变化，并转换成图像信号显示出 来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微 图。这种工作方式仅适用于样品表面较 平坦、且组成成分单一。
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
离线数据分析软件
主要特点
• 扫描隧道显微镜具有以下特点∶ • 1、高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为 l Å ， 纵向分辨率达0.1 Å. 可以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等。 • 2、扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，绘出立体三维结构图像。并且可 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。 • 3、扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气、甚至溶液中探测物质的结构，它的优 点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的 固体标本，由于没有高能电子束， 对表面没有破坏作用(如辐射，热损伤等)，所以 能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究，样品不会受到损伤而 保持完好。 • 4、扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生 命过程的动力学研究。 • 5、不需任何透镜， 体积小，有人称之为“口袋显微镜”(pocket microscope)。 • 6、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。
恒高度模式
• 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝 对高度不变；于是针尖与样品表面的局 域距离将发生变化，隧道电流 I 的大小也 随着发生变化；通过计算机记录隧道电 流的变化，并转换成图像信号显示出 来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微 图。这种工作方式仅适用于样品表面较 平坦、且组成成分单一。
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• 常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压 电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制 针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加 电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ， 并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计 算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在 屏幕上显示出来。
恒高度模式
• 在扫描过程中保 持针尖的高度不 变，通过记录隧 道电流的变化来 得到样品的表面 形貌信息。这种 模式通常用来测 量表面形貌起伏 不大的样品。
隧道针尖
• 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问 题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也 影响着测定的电子态。
STM的工作方式
恒电流模式 恒高度模式
恒电流模式
• x-y方向进行扫描，在z方向加 上电子反馈系统，初始隧道电 流为一恒定值，当样品表面凸 起时，针尖就向后退；反之， 样品表面凹进时，反馈系统就 使针尖向前移动，以控制隧道 电流的恒定。将针尖在样品表 面扫描时的运动轨迹在记录纸 或荧光屏上显示出来，就得到 了样品表面的态密度的分布或 原子排列的图象。此模式可用 来观察表面形貌起伏较大的样 品，而且可以通过加在z方向上 驱动的电压值推算表面起伏高 度的数值。
• 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率， 从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的 尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧 道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。 针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针 尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的 阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二 者就发生碰撞。
5.场发射形貌描绘仪
探针在试件表面扫描，可根据场发射电流的大小，检测 出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研究， 发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可 产生隧道电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他 们观察到的Is和Vb间为线性关系时，估计针尖-试件间的距离 为1.2nm。可惜他们的研究到此为止，虽然已经有了以上发 现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项重 大发明失之交臂，甚为可惜。
图 是 STM 的 基 本 原理图，其主要构成有： 顶 部 直 径 约 为 50— 100nm 的 极 细 金 属 针 尖 ( 通常是金属钨制的 针尖 ) ，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电 陶 瓷 (Px ， Py ， Pz) ， 以及用于扫描和电流反 馈 的 控 制 器 (Controller)等。
（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）
• 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以及平均功函数Φ有关：
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ，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）
结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体 内的单个蛋白质和 DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手 术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原 子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型 量子器件。
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜的工作原理
STM的工作原理
• 扫描隧道显微镜的工作原理是 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E低于前方势垒的高 度V0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 子可以穿过比它能量更高的势 垒，这个现象称为隧道效应。
4.扫描电子显微镜（SEM）
SEM从20世纪60年代开始应用以来，使用日渐广泛。它的工作原理是利 用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描，激发二次放电，利用二次放电 信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。 SEM的放大倍率在10-150 000范围内连续可调，试件在真空室中可按观察需 要进行升降、平移、旋转或倾斜。 SEM在普通热钨丝电子 枪条件下，分辨率为5-6nm， 如用场发射电子枪，分辨率 可达2-3nm。SEM的景深很 大，对表面起伏很大的形貌 也能得到很好的图像。只是 放大倍数较低，达不到原子 级的分辨率。
他们发明的所谓形貌描绘仪只能永远地在历史上被记载为一种最接
近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾认真研究改 进他们的仪器，并试验过一些办法，但收效甚微。他曾一度想到了
隧道效应，并还讨论了谱图学方向的应用，但唯独没有想到应用到
他的形貌描绘以上。仅此一步没有深入下去，就使他们和一项重大 科技发明失之交臂，而空自叹息。
扫描隧道显微镜的局限性:
• 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面 微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率 较差. • 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本 无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电 层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨 率。 • 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动， 探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。
不强，故试件必须做得
极薄，加工这种极薄的 试件有相当难度，故
TEM的适用范围有限。
3.表面轮廓仪
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术 的提高，现在的测量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免 探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖曲率半径在0.05um左右，这就限制了测 量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容易划伤试件。 一些新式的轮廓仪配备了 X 、 Y 双向精密微动工作台，探针在 试件表面进行X、Y双向往复扫描， 再用计算机处理信息，可以得到 表面微观形貌的三维立体图像。 这种轮廓仪的检测原理和近代的 STM、SPM和AFM极为相似，只 是后者使用了更尖锐的探针和更 灵敏的探针位移检测方法。
大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉成
像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。 •第二类是对试件表面进行扫描，逐点检测，从而获得表面微观形 貌的信息。这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显微镜 （SEM）
1.光学显微物体形 貌分辨率可达到 0.1mm。 1665 年 发明了光学显微镜，它可将被测 物体放大数百倍。光学显微镜经
Gerd Bining
Hernrich Rohere
扫描隧道显微镜的发明
在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假如R.Young（场 发射形貌描绘仪的发明者）能够及时意识到真空中隧道效应的重要 性，假如他能及时想到缩小针尖与试件表面间的距离，那么STM公 布发表时的发明人名字就是 R.Young了。遗憾的是，他们没有意识 到这一点，更没有去缩短那一点微不足道的该死的微小距离，于是
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上
的进化。扫描隧道显微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微 观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术了，只是分 辨率较低。表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类： •第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放
过多次改进，现在的放大倍数达
到 1250 倍。如果再采用油浸镜头 或用紫外光，放大倍数还能在提
高一些。光学显微镜使用方便，
应用广泛，但受光波波长的限制， 放大倍数无法再提高。
2.透射电子显微镜（TEM）
TEM出现在20世纪30年代，到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和 光学显微镜的原理极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静 电或磁透镜代替光学玻璃透镜，最后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高， 点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已达原子级分辨率。用TEM观察 物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到某些重金属原 子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。 TEM 是 通 过 电 子 束 透过试件而放大成像的， 电子束穿透材料的能力
• 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。
STM的结构
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜的发明
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔 研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling 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 科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺 贝尔物理学奖金．
磁力显微镜（MFM） 摩擦力显微镜（LFM） 静电力显微镜（EFM） 弹道电子发射显微术（BEEN） 扫描离子电导显微镜（SICN） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTN） 扫描近场光学显微镜（SNOM） 在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微 镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技 术的发展提供了很好的技术支持。
恒高度模式
• 在扫描过程中保 持针尖的高度不 变，通过记录隧 道电流的变化来 得到样品的表面 形貌信息。这种 模式通常用来测 量表面形貌起伏 不大的样品。
隧道针尖
• 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问 题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也 影响着测定的电子态。
STM的工作方式
恒电流模式 恒高度模式
恒电流模式
• x-y方向进行扫描，在z方向加 上电子反馈系统，初始隧道电 流为一恒定值，当样品表面凸 起时，针尖就向后退；反之， 样品表面凹进时，反馈系统就 使针尖向前移动，以控制隧道 电流的恒定。将针尖在样品表 面扫描时的运动轨迹在记录纸 或荧光屏上显示出来，就得到 了样品表面的态密度的分布或 原子排列的图象。此模式可用 来观察表面形貌起伏较大的样 品，而且可以通过加在z方向上 驱动的电压值推算表面起伏高 度的数值。
• 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率， 从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的 尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧 道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。 针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针 尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的 阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二 者就发生碰撞。
5.场发射形貌描绘仪
探针在试件表面扫描，可根据场发射电流的大小，检测 出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研究， 发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可 产生隧道电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他 们观察到的Is和Vb间为线性关系时，估计针尖-试件间的距离 为1.2nm。可惜他们的研究到此为止，虽然已经有了以上发 现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效应，于一项重 大发明失之交臂，甚为可惜。
图 是 STM 的 基 本 原理图，其主要构成有： 顶 部 直 径 约 为 50— 100nm 的 极 细 金 属 针 尖 ( 通常是金属钨制的 针尖 ) ，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电 陶 瓷 (Px ， Py ， Pz) ， 以及用于扫描和电流反 馈 的 控 制 器 (Controller)等。
（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）
• 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以及平均功函数Φ有关：
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ，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）
结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体 内的单个蛋白质和 DNA 分子的结构，进行分子切割和组装手 术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原 子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型 量子器件。
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜的工作原理
STM的工作原理
• 扫描隧道显微镜的工作原理是 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E低于前方势垒的高 度V0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 子可以穿过比它能量更高的势 垒，这个现象称为隧道效应。
4.扫描电子显微镜（SEM）
SEM从20世纪60年代开始应用以来，使用日渐广泛。它的工作原理是利 用高能量、细聚焦的电子束在试件表面扫描，激发二次放电，利用二次放电 信息对试件表面的组织或形貌进行检测、分析和成像的一种电子光学仪器。 SEM的放大倍率在10-150 000范围内连续可调，试件在真空室中可按观察需 要进行升降、平移、旋转或倾斜。 SEM在普通热钨丝电子 枪条件下，分辨率为5-6nm， 如用场发射电子枪，分辨率 可达2-3nm。SEM的景深很 大，对表面起伏很大的形貌 也能得到很好的图像。只是 放大倍数较低，达不到原子 级的分辨率。
他们发明的所谓形貌描绘仪只能永远地在历史上被记载为一种最接
近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾认真研究改 进他们的仪器，并试验过一些办法，但收效甚微。他曾一度想到了
隧道效应，并还讨论了谱图学方向的应用，但唯独没有想到应用到
他的形貌描绘以上。仅此一步没有深入下去，就使他们和一项重大 科技发明失之交臂，而空自叹息。
扫描隧道显微镜的局限性:
• 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面 微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率 较差. • 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本 无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电 层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨 率。 • 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动， 探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。
不强，故试件必须做得
极薄，加工这种极薄的 试件有相当难度，故
TEM的适用范围有限。
3.表面轮廓仪
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术 的提高，现在的测量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免 探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖曲率半径在0.05um左右，这就限制了测 量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容易划伤试件。 一些新式的轮廓仪配备了 X 、 Y 双向精密微动工作台，探针在 试件表面进行X、Y双向往复扫描， 再用计算机处理信息，可以得到 表面微观形貌的三维立体图像。 这种轮廓仪的检测原理和近代的 STM、SPM和AFM极为相似，只 是后者使用了更尖锐的探针和更 灵敏的探针位移检测方法。
大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉成
像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。 •第二类是对试件表面进行扫描，逐点检测，从而获得表面微观形 貌的信息。这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显微镜 （SEM）
1.光学显微物体形 貌分辨率可达到 0.1mm。 1665 年 发明了光学显微镜，它可将被测 物体放大数百倍。光学显微镜经
Gerd Bining
Hernrich Rohere
扫描隧道显微镜的发明
在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假如R.Young（场 发射形貌描绘仪的发明者）能够及时意识到真空中隧道效应的重要 性，假如他能及时想到缩小针尖与试件表面间的距离，那么STM公 布发表时的发明人名字就是 R.Young了。遗憾的是，他们没有意识 到这一点，更没有去缩短那一点微不足道的该死的微小距离，于是
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上
的进化。扫描隧道显微镜也不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微 观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术了，只是分 辨率较低。表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类： •第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放
过多次改进，现在的放大倍数达
到 1250 倍。如果再采用油浸镜头 或用紫外光，放大倍数还能在提
高一些。光学显微镜使用方便，
应用广泛，但受光波波长的限制， 放大倍数无法再提高。
2.透射电子显微镜（TEM）
TEM出现在20世纪30年代，到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和 光学显微镜的原理极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静 电或磁透镜代替光学玻璃透镜，最后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高， 点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已达原子级分辨率。用TEM观察 物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到某些重金属原 子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。 TEM 是 通 过 电 子 束 透过试件而放大成像的， 电子束穿透材料的能力
• 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。
STM的结构
STM 发明
新型 显微镜
1
发明 背景
2
3
工作 原理
4
扫描隧道显微镜的发明
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔 研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling 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 科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺 贝尔物理学奖金．
磁力显微镜（MFM） 摩擦力显微镜（LFM） 静电力显微镜（EFM） 弹道电子发射显微术（BEEN） 扫描离子电导显微镜（SICN） 扫描热显微镜 扫描隧道电位仪（STP） 光子扫描隧道显微镜（PSTN） 扫描近场光学显微镜（SNOM） 在STM基础上发展起来的一系列扫描探针显微 镜扩展了微观尺度的显微技术，为纳米乃至微观技 术的发展提供了很好的技术支持。