扫描隧道显微镜成像原理

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。

文献综述：电化学扫描隧道显微镜在表面科学中的应用

电化学扫描隧道显微镜（ECSTM）在表面科学中的应用

电化学扫描隧道显微镜（ECSTM）是一种在表面科学领域中广泛应用的先进技术。它利用扫描隧道显微镜（STM）的基本原理，结合电化学技术，实现了对表面形貌和电子态的高分辨率成像。

ECSTM的工作原理主要基于隧穿效应。当一个极细的尖针接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，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。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级10A的隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。

ECSTM的主要功能和用途包括：

1. 描绘表面三维的原子结构图：ECSTM能够以高分辨率成像表面的形貌和电子态，从而揭示表面的原子结构和排列。这对于研究表面的物理化学性质、催化反应机制以及表面工程等领域具有重要意义。

2. 在纳米尺度上研究物质的特性：ECSTM可以用于研究纳米尺度的物质特性，如纳米颗粒的形貌、尺寸分布以及表面修饰等。这对于理解纳米材料的性质和应用潜力具有重要意义。

3. 实现对表面的纳米加工：利用ECSTM，可以对表面进行纳米尺度的加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰以及直接书写等。这对于纳米制造、纳米电子学等领域具有重要意义。

在具体应用方面，ECSTM已经被广泛应用于各种表面科学领域的研究。例如，在催化剂研究领域，ECSTM被用于研究催化剂表面的形貌和电子态，揭示催化反应的机制和活性位点的分布。在材料科学领域，ECSTM被用于研究材料的表面结构和性质，探索材料的合成、加工和性能之间的关系。

总的来说，电化学扫描隧道显微镜（ECSTM）作为一种先进的表面科学成像技术，在揭示表面形貌、电子态以及实现表面纳米加工等方面具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和完善，ECSTM将在未来为表面科学领域的研究和应用提供更多的可能性。

光学显微镜的原理

发布时间：10-05-15 来源：仪表展览网 点击量：2284 字段选择：大 中 小

将微小物体或物体的微细部分高倍放大，以便观察的仪器或设备。它广泛应用于工农业生产及科学研究。生物学和医学工作者在业务中也经常使用显微镜。大致分为光学显微镜和电子显微镜。

光学显微镜 即以可见光为光源的显微镜。普通的光学显微镜在结构上可分为光学系统和机械装置两个部分。光学系统主要包括目镜、物镜、聚光器、光阑及光源等部分。机械装置主要包括镜筒、镜柱、载物台、镜座、粗细调节螺旋等部分(图1)。其基本光学原理如图2,图中左边小的凸透镜代表短焦距的一组透镜，称物镜。右边大的凸透镜代表长焦距的一组透镜，称目镜。被观察的物体(AB)放在物镜焦点(f1)稍外的地方。物体的光线通过物镜后在目镜焦点(f2)稍内方形成一个倒立的放大实像(B'A')。观察者的眼睛通过目镜将该实像(B'A')进一步放大为一个倒立的虚像(B″A″)。

目镜位于显微镜筒的上方，一般由两个凸透镜构成。它除了进一步扩大物镜所形成的实像之外，也限制了眼睛所观察的视野。按放大率分,常用目镜有5倍、10倍和15倍三种。

物镜一般位于显微镜筒的下方，接近所观察的物体。由8～10片透镜组成。其作用一是放大(给物体造成一个放大的实像),二是保证像的质量,三是提高分辨率。常用物镜可按放大率分为低倍 (4×)、中倍(10×或20×)、高倍(40×)和油浸物镜(100×)。多个物镜共同镶在换镜转盘上，可以按需要转动转盘选择不同倍数的物镜。

显微镜的放大倍数为目镜倍数乘物镜倍数，如目镜为10倍，物镜为40倍,则放大倍数为40×10倍(放大400倍)。优良的显微镜可放大2000倍，可分辨相距1×10-5cm的两点。

当白光通过凸透镜时,波长较短的光(蓝紫色),其折射度大于长波长的光(红橙色)，因此，成像时在像周出现各色光谱围绕,并且有一圈蓝色或红色的辉光,这种颜色上的缺陷称为色差。由于光线进入(和离开)透镜镜面各部分的角度不同，从透镜四周透过的光线与从透镜中心透过的光线相比，其折射角度较大。因此，成像时在像周出现模糊而歪曲的影像。这种成像面弯曲的缺陷称为球面差。一系列形状、结构和距离不同的凸和凹透镜组互相配合，便能最大限度地纠正色差和球面差，形成一个明亮、清晰而准确的影像。这就是目镜或物镜分别由一组透镜构成的缘故。这种透镜称为平场消色差透镜。

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。