扫描隧道显微镜原理

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纳米，在垂直于表面的方向可达纳米，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。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。 扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁（GerdK。Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下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 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。

扫描隧道显微镜-复旦⼤学物理教学试验中⼼

扫描隧道显微镜实验分析及讨论0530052 杜⽩材料物理

摘要

分析实验中各参数的影响,对图像的产⽣中的主要因素进⾏讨论,并提出⼀些改进⽅法,最后谈谈实验感想.

引⾔

我们早就知道了物质是由分⼦和原⼦组成,但是普通的显微镜难以做到观察物质原⼦排列的分辨率.扫描隧道显微镜则可以在极⾼的分辨率下直接给出固体表⾯原⼦的排列情况,使⼈们亲眼看到了它们的存在.与其他的显微镜相⽐,扫描隧道显微镜在⼤⽓环境下就可以得到稳定的⾼分辨率的原⼦图像.

我做这次实验的主要内容是通过对扫描隧道显微镜学习,观察光栅表⾯形貌,从⽽对扫描隧道显微镜有⼀个初步了解.

理论部分:扫描隧道显微镜的⼯作原理

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.粒⼦能穿透⽐它动能更⾼的势垒的现象,称为隧道效应.扫描隧道显微镜的基本原理是原⼦线度极细的探针和被研究物质表⾯作外两个电极,当样品与针尖的距离⾮常接近(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s以及平均功函数有关.被测样品应具有⼀定的导电性.

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样品表⾯形貌图,这就是扫描隧道显微镜的⼯作原理.

实验部分

实验⽤NanoSPM-Ⅲ型扫描隧道显微镜.⼤体步骤如下:

①⽤棉球占丙酮清洗底盘,针尖以及要剪针尖的硬钢丝剪⼑.剪时沿30°劈⾓或更⼩

劈⾓使针尖有较强的硬度和尖度.在底盘上装上样品(光栅).

②利⽤放⼤镜⼿动进针和计算机⾃动进针使针尖进⼊样品的隧道区.

③通过具体参数的改变,扫描观察得较清晰的图像.这⾥设定参数是主要环节,具体参数

有:扫描⾓度,扫描量程,扫描速度,中⼼位置,⽐例增益,积分增益,针尖偏压,隧道电流,⾼度图像显⽰范围,电流图像现实范围.

1 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。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。 2 扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁（GerdK。Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下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。