扫描隧道显微镜stm分析原理与方法

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。

扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。

它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。

STM具有非常高的分辨率，能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵，因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。

一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。

隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。

在STM中，金属探头和样品之间形成一个电势差，并使用一个反馈电路来保持电流恒定。

隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。

探头与样品之间的距离非常小，约为几个纳米，隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。

当探头在样品表面上移动时，由于样品表面具有不同的高度和电性特征，因此隧穿电流的大小也会发生变化。

这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息，然后通过计算机处理并呈现出来。

样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。

二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域，如表征材料表面和分析材料电子结构等。

在纳米材料研究中，STM可以检测材料中的特定原子和分子，并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。

B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。

它可以研究各种表面效应，例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。

此外，STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。

C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。

纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。

通过STM可以定量地观察单个原子和分子，这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。

D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。

在生物领域，STM可用于研究DNA分子的结构和功能，以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。

E.电子学STM还可以用作电子学中的电极，例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。

扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用【摘要】：本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。

关键词：扫描隧道显微镜隧道效应石墨晶体一、实验引言：随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。

为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。

两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。

STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。

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。

二、实验原理：1、量子隧道效应在量子力学里，如果势能不是无限大，则在）（r V >E 的区域,薛定谔方程的解不一定为零，即一个入射粒子穿透一个）（r V >E 的有限区域的几率是非零的，这就是隧道效应。

利用图1可以说明隧道效应的物理意义，设图1（上）中为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，如图1(下)所示，则势垒穿透厚度为z 的势垒去的几率P 可用下式表示：P （z ）k x 2-e ∝，其中k=）（E -0m 21ϕ（1）图1（上）高度为的矩阵势垒 图1（下）典型的矩形势垒的遂穿几率P （z ）隧道效应，就是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层，当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子在E ＜V 的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V 而达到另一侧的物理现象。

扫描隧道显微镜的使用教程随着科学技术的进步，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种高分辨率的显微技术，被广泛应用于材料科学、纳米技术等领域。

本文将介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用教程，帮助读者了解并正确运用这一先进的显微镜技术。

一、基本原理扫描隧道显微镜基于一种称为隧道效应的物理原理。

当一根尖端针的尖端与被测物体非常接近时，由于电子的波动性，电子会发生隧道穿越现象，从尖端流向被测物体表面。

通过测量流经尖端的电流大小，我们可以得到被测物体表面的形貌信息。

二、准备工作在使用扫描隧道显微镜之前，首先需要准备相关的实验设备和样品。

实验室中应该配备一台高精度的扫描隧道显微镜系统，以及适量的样品和导电性良好的探针。

确保实验环境干净、无尘，以避免尘埃影响显微镜的观察效果。

三、样品制备与安装选择合适的样品，并进行必要的表面处理，以保证样品表面的平整度和干净度。

常见的处理方式包括超声清洗、化学溶液浸泡等。

待处理好的样品需要被固定在扫描隧道显微镜样品台上，可以使用夹具、胶带或其他固定装置。

确保样品的稳定性，以免在扫描过程中发生移动或变形。

四、扫描参数设定在开始实验之前，需要根据样品的性质和实验需求来设定扫描参数。

这些参数包括扫描区域的大小、扫描速度、扫描模式等。

通常情况下，较小的扫描区域能够提供更高的分辨率，但同时需花费更长的扫描时间。

根据实际需要进行权衡，并进行相应的设定。

五、开始扫描确认样品和参数设定后，即可开始实际的扫描操作。

在扫描过程中，需要特别注意显微镜头与样品的距离。

通过微调装置，逐渐将尖端针靠近样品表面，直到隧道电流能够经过，并稳定在合适的范围内。

同时，需要根据实际情况进行针尖的横向和纵向调整，以使得扫描过程中的信号稳定和清晰。

六、结果分析与处理扫描完成后，可以得到样品表面的形貌信息。

使用相应的软件工具，可以对获得的数据进行图像重建、三维重建和分析处理等操作。

扫描隧道显微镜实验技术的使用教程随着科技的飞速发展，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）作为一种高分辨率的显微镜技术，被广泛应用于材料科学、生物科学等领域。

本文将为大家介绍扫描隧道显微镜的基本原理以及使用技巧，帮助读者更好地掌握这一重要的实验技术。

一、扫描隧道显微镜的基本原理扫描隧道显微镜是一种基于量子隧道效应的显微镜技术，其原理是利用电子自由运动的量子隧道效应来获取样品表面的高分辨率图像。

其基本构造包括扫描头、针尖和探测电路等部分。

在使用扫描隧道显微镜时，首先要将样品放置在试样台上，并通过机械手或压电陶瓷等手段将针尖移到距离样品表面非常近的位置。

然后，通过施加一定的偏置电压和扫描电压，形成了一种电子流场，使得电子以隧道效应的方式从针尖流向样品表面，同时通过测量针尖和样品之间的电流来获取表面形貌信息。

二、扫描隧道显微镜的使用技巧1. 采用合适的针尖针尖是扫描隧道显微镜的重要组成部分，其形状和材料的选择对于实验结果具有重要影响。

常用的针尖材料有金属、半导体和碳纳米管等。

在选择针尖时，应根据实验的目的和样品的性质来确定合适的针尖材料和形状。

2. 调节扫描参数扫描参数的选择对于获得高质量的图像至关重要。

常用的扫描参数包括扫描速度、扫描范围、扫描方式等。

调节这些参数时，应根据样品的性质和所需的分辨率来确定合适的数值，以获取清晰、稳定的图像。

3. 样品的准备在进行扫描显微镜实验之前，需要对样品进行一系列的准备工作。

首先，要保证样品的表面光洁度，避免有杂质或污物的存在。

其次，要选择合适的样品厚度，以保证隧道电流的流动。

最后，在样品接触到空气之前，应采取适当的措施进行保护，避免氧化或化学反应。

4. 实验环境的控制为了获得高质量的图像，实验环境的控制十分重要。

首先，要保持实验室的恒温和恒湿条件。

其次，要减少外部振动和电磁干扰，以避免对实验结果的影响。

此外，还需要对实验设备进行定期的维护和校准，保证其正常工作。

STM的原理和应用STM（Scanning Tunneling Microscope），扫描隧道显微镜，是一种利用量子力学原理研究物质表面性质的高分辨率成像仪器。

STM的工作原理基于电子的量子隧穿效应，通过探针与样品表面之间的隧穿电流来获取样品表面的拓扑信息，从而实现纳米级别的三维成像。

STM的应用非常广泛，在物理学、化学、生物学等领域都有重要的研究价值。

STM的工作原理可简述为：在STM中，有一个微细的金属探针（Tip）和样品表面之间保持非常近的距离（通常为纳米级别）。

当给定一个小的电压差（通常为几毫伏到几电压之间）时，形成的隧穿电流会随着两个不同位置之间的距离变化而变化。

通过控制探针位置，可以测量电流的变化，并映射到样品表面的形貌上。

通过扫描探针的位置，可以得到样品表面的拓扑信息。

STM的成功应用离不开以下几个关键技术：1.原子力探测：STM使用了一个非常锋利尖端的金属探针，可以感知样品表面的原子力，从而获得样品表面的拓扑信息。

这种技术在纳米尺度下非常有效，可以得到非常高分辨率的图像。

2.量子隧穿效应：在STM中，探针和样品表面之间形成的微小隧穿电流是基于量子力学的隧穿效应。

这种效应使得STM可以在非常小的尺度下进行高分辨率成像，并且可以探测到样品表面的微观结构和性质。

3.负反馈控制：为了保持探针和样品表面的距离保持稳定，STM使用了负反馈控制系统。

这个系统会根据探针和样品表面之间的隧穿电流的变化来调整探针的位置，使得电流保持在一个恒定的水平，从而得到稳定的成像结果。

STM在科学研究中有着广泛的应用，包括以下几个方面：1.表面科学研究：STM可以实现对材料表面结构的高分辨率成像，并且可以通过控制探针的位置来控制表面结构。

这为理解材料的表面性质和表面反应过程提供了重要的手段。

2.纳米技术研究：STM可以进行纳米级别的成像和加工，可以用于纳米材料的制备、纳米器件的设计和纳米材料的研究等方面。

它在纳米技术研究中发挥了重要作用。

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 -。

STM扫描隧道显微镜几十年来,人类研制成功了许多用于表面结构分析的现代仪器.例如光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、电子探针、衍射仪、能谱仪等等。

这些物理技术在表面科学研究领域都起着重要的作用；但它们的物理原理不同，作用范围、精度、环境条件等都不尽相同。

也就是说，每一种技术对表面微观结构观察与分析都有它自己的特长与意义，但每一种技术都必然受着自身原理的条件限制，只能在一定的领域内开展工作。

例如光学显微镜受其分辩率的影响无法分辩出表面的原子；高分辩率的透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相和界面研究。

X射线的光电子能谱等只能提供空间平均电子的电子结构信息；有的技术只能获得间接结果，还需要用试差模型来拟合等等。

虽然人们早就知道物质是由分子和原子组成的，但这大多是通过实验间接验证的。

1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer博士研制成世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）。

它的出现，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物理、化学性质。

而且在其测量过程中不会对样品形成任何损伤。

其惊人的原子分辩能力已被广泛地应用于材料科学、微电子科学、纳米加工技术等领域。

[实验原理]扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。

见图1：图1当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，根据经典力学理论，粒子不可能穿过此势垒，即透射系数等于零。

但按照量子力学原理，粒子越过势垒区而出现在另一边的几率不为零，这个现象称为隧道效应。

实验中，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）见图2:在外加电场作用下，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： )21exp(S A b V I Φ−∝（1） b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数),21(21Φ+Φ⋅≈Φ1Φ和2Φ分别为针尖和样品表面的功函数。

STM的原理和应用总结1.STM的原理STM（Scanning Tunneling Microscope）是一种使用量子力学效应的显微镜。

它利用电子的波粒二象性和量子隧道效应来实现原子级别的分辨率。

其工作原理可以概括为以下几个步骤：步骤1：将扫描探针接近待测样品表面。

探针一般由金属尖端构成，可以通过压电陶瓷调节其位置。

步骤2：在探针和样品之间建立一定的电压差，使电子从探针向样品隧道。

这一过程被称为量子隧道效应，因为根据量子力学的描述，电子可以通过能量低于其势垒的区域。

步骤3：探针表面的电子浓度会受到样品表面原子排列和表面态的影响。

通过测量隧道电流的变化，可以得到样品表面的拓扑信息。

步骤4：将探针在样品表面移动并调节电压差，可以获取样品表面的拓扑图像。

根据量子力学的原理，探针的位置和隧道电流的变化可以得到样品表面原子的三维分布。

2.STM的应用STM作为一种高分辨率显微镜，具有广泛且重要的应用领域。

以下是一些常见的STM应用总结：1）材料科学研究：STM能够提供材料表面的原子级别信息，并揭示材料的电子结构、拓扑结构和化学反应等。

它可用于纳米材料的合成、表征和性能研究。

2）纳米器件研究：STM可以用于纳米电子器件的设计和优化。

通过观察电荷转移和隧道电流的变化，可以改进器件的性能，如减小电阻、提高电导等。

3）生物科学研究：STM可以应用于生物分子的观察和测量。

例如，可以研究生物分子（如DNA、蛋白质）的形态、组装和相互作用。

4）表面物理学和表面化学研究：STM可以提供表面物理学和表面化学的基础研究。

通过观察表面的原子排列和状态，可以研究表面的物理和化学性质。

5）纳米加工和纳米制造：STM可以用于纳米加工和纳米制造。

通过控制电流和电压，可以实现对样品表面的纳米加工，如局部氧化、局部掺杂等。

6）量子计算与量子信息：STM对量子比特的操作提供了一种有效方法。

可以通过在样品表面形成量子比特，实现量子计算和量子通信等领域的研究和应用。

扫描隧道显微镜原理与工作方式解析扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM）是一种由Ernst Ruska和Gerd Binnig等科学家于1981年共同发明的一种高分辨率显微镜。

它是一种利用量子力学效应进行成像的工具，能够达到原子尺度的分辨率。

本文将解析扫描隧道显微镜的原理和工作方式。

扫描隧道显微镜的原理基于隧道效应，即电子通过微小的空隙隧道传输的现象。

根据量子力学的隧道效应理论，当微小的尖端与样品表面极为接近时，电子可以通过锐利的尖端与样品间的真空间隙隧道传输。

扫描隧道显微镜利用这一原理，通过探针的运动来扫描样品表面，同时测量隧道电流的强度，从而形成显微图像。

扫描隧道显微镜的主要组成部分包括探针、探针悬臂、扫描系统和信号检测系统。

探针是扫描隧道显微镜的核心部件，由一根非常尖锐的金属探针组成，通常使用铂铱合金或钨材料制成。

探针悬臂用于固定和调节探针位置，以确保其稳定性和精确度。

扫描系统用于控制探针在样品表面上的运动路径，包括横向和纵向扫描。

信号检测系统用于测量隧道电流的强度，并将其转化为可视化的显微图像。

当扫描隧道显微镜开始工作时，探针悬臂将探针带至样品表面上的感兴趣区域，使其离样品表面非常接近，通常在纳米米的范围内。

然后，应用一个微小的电压差，使得探针与样品之间形成隧道电流。

这种隧道电流的大小与探针与样品之间的距离和表面的电子状态有关。

随着探针在样品表面上的扫描运动，隧道电流的强度也会发生变化。

为了生成显微图像，扫描系统通过电子信号的调节来控制探针的扫描轨迹。

通常采用的是锁定模式，即通过调整探针的位置，使得隧道电流保持在一个恒定的值，从而保持探针与样品的恒定间距。

同时，扫描系统将探针在样品表面上的运动轨迹记录下来，并将其转化为显微图像。

在信号检测系统中，隧道电流的强度被检测并放大。

然后，该信号被转化为显微图像，并通过计算机显示在监视器上。

显微图像能够清晰地显示出样品表面的各种特征，包括原子、分子和局部缺陷等。

STM的原理和应用STM（Scanning Tunneling Microscope），即扫描隧道显微镜，是一种通过测量样品表面原子尺度的电子隧穿电流来观察和操纵物质的表面结构的仪器。

它是由IBM研究中心的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1981年发明的，并因此而获得了1986年诺贝尔物理学奖。

STM的工作原理可以分为两个基本步骤：扫描和测量。

1.扫描：STM使用一根尖端通常由金属（如钨）制成，其末端仅有一个原子大小（约0.1纳米）。

这个尖端被放置在样品表面上，并且在尖端和样品之间施加一小电压。

隧穿电流随着尖端到样品之间的距离变化，会通过反馈机制将尖端保持在特定的高度上扫描样品的表面。

2.测量：通过测量尖端和样品之间的隧道电流强度，可以获得样品表面的拓扑图像。

当尖端在扫描过程中在表面上的不同位置时，隧道电流的强度会变化，从而形成一个二维的电流图像，显示出样品表面的形态特征。

STM的应用非常广泛，包括但不限于以下几个领域：1.材料科学：STM可以用于研究各种材料的表面结构和性质。

例如，可以使用STM观察纳米级的材料表面，研究材料的晶体结构、原子排列方式以及表面缺陷和结构的形成机制。

2.纳米科技：STM是研究纳米尺度表面科学和纳米结构制造的重要工具。

通过STM可以直接观察和操作纳米级尺寸的结构，例如制备和研究纳米线、纳米颗粒、纳米管等。

3.生物科学：STM在生物科学研究中也有广泛的应用，例如在观察蛋白质、DNA、生物分子等的形态和结构方面具有重要意义。

此外，STM还可用于生物分子和细胞的定位和操作。

4.表面化学：STM可以用于研究表面化学反应的动力学和过程，例如在催化剂研究中。

通过STM，可以实时观察并随时进行反应条件的调整，从而探索和优化化学反应和催化机制。

5.纳米电子学：STM的隧道电流的调控特性使其成为一种重要的纳米电子学工具。

利用STM可以通过控制隧道电流来操纵和测量纳米级电子器件的性能，例如在纳米晶体管、量子点和量子阱等领域中的应用。

STM的原理、组成和应用1. STM的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种能够观察到原子尺度上表面形貌和电子结构的高分辨率显微镜。

STM的工作原理是利用量子隧道效应，通过探针和样品之间的电子隧道传输电流来获取表面的拓扑结构信息。

其主要原理可以概括为以下几点：•量子隧道效应：根据量子力学的理论，当探针和样品之间的距离足够接近时，电子可以通过隧道效应，穿过障碍物从探针到样品或相反方向传输。

这种隧道电流的强度与探针和样品之间的距离存在指数关系。

•反馈调节：通过探针和样品之间的隧道电流作为反馈信号进行调节，保持探针与样品之间的恒定电流。

通过调节探针的高度位置，实现对样品表面的扫描。

•表面拓扑重建：根据探针与样品之间的隧道电流的变化，绘制出样品表面的拓扑结构。

通过记录探针的位置和隧道电流的大小，可以创建出具有原子级分辨率的表面拓扑图像。

2. STM的组成STM主要由以下部分组成：•扫描单元：包括探针、探针电极和扫描驱动器。

探针选择导电性良好的金属材料，如钨或铂。

探针电极承担产生隧道电流及记录样品表面拓扑的作用。

扫描驱动器用于控制探针在样品表面的移动。

•样品台：提供固定样品的平台，具有高精度的移动机构，可以实现样品位置的微调和横向移动。

•探针调节单元：用于调节探针与样品之间的距离，并保持隧道电流的恒定。

调节单元通常由压电驱动器、光学传感器和反馈电路组成。

•信号采集和处理系统：用于采集扫描过程中产生的信号，并将其转换为图像。

信号采集和处理系统由前置放大器、AD转换器和计算机系统组成。

3. STM的应用由于STM具有高分辨率、高灵敏度和宽工作温度范围等特点，因此在材料科学、表面物理学、纳米技术等领域有着广泛的应用。

以下是STM的一些常见应用：3.1 表面形貌研究STM可以绘制出原子级分辨率的表面拓扑图像，用于研究材料的表面形貌。

通过观察表面的原子间距、立体结构和缺陷等信息，可以研究材料的生长机制、晶体缺陷和表面形貌变化等。

STM的原理和应用总结STM（Scanning Tunneling Microscopy），即扫描隧道显微镜，是一种基于电子隧道效应的高分辨率成像技术。

它可以在原子尺度上对固体表面进行成像，并能够揭示表面的原子结构和性质。

STM的原理和应用涉及电子隧道效应、原子尺度成像、拓扑表面重构等方面。

STM的原理是基于电子的隧道效应。

当一个导体针尖和样品表面非常接近时，根据量子力学原理，电子可以通过表面的势垒形成隧道，并传输到另一侧。

STM中的导体针尖和样品分别作为探针和样品电极，通过调节针尖和样品之间的电压，可以控制电子的流动。

当电压设定在适当范围内时，电流将随着针尖的位置和样品表面形貌的变化而变化。

通过测量电流的变化，可以重建出样品表面的形貌和原子结构。

基于STM的成像原理，STM可以实现原子尺度的成像。

相比于光学显微镜的衍射极限，STM能够实现更高的分辨率。

因为STM是基于固体表面的电子结构进行成像，而不是光的散射，所以可以实现约0.1纳米量级的分辨率。

这使得STM成为探索纳米尺度物理特性和材料表面微观结构的有力工具。

STM的应用非常广泛。

首先，在材料科学领域，STM可以对表面拓扑结构进行精确的观测，揭示材料表面的微观性质。

例如，STM可以用于研究材料表面的各种重构现象（如(2x1)、(1x1)等），以及表面的缺陷和原子吸附等。

这对于理解材料的表面性质、表面反应以及固体材料的生长机制等具有重要意义。

其次，STM在纳米科学和纳米技术中具有重要的意义。

利用STM，可以观察和操纵单个原子、分子和纳米结构。

这对于研究纳米尺度电子和磁性行为，以及构建纳米器件和纳米材料等具有重要意义。

此外，STM还在生物领域中发挥重要作用。

由于STM能够以原子分辨率观察活体样品的表面结构，因此被广泛用于生物分子、细胞和组织的研究。

比如，STM可以用于研究蛋白质的结构和功能，观察生物膜和生物分子之间的相互作用等。

最后，STM还可以用于研究表面的电子结构。

扫描隧道显微镜的原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种先进的纳米尺度观测仪器，在材料科学、物理学和生物学等领域发挥着重要作用。

它能够通过扫描样品表面的原子尺度特征，为科学家提供关于材料结构和性质的丰富信息。

一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的工作原理基于量子力学中的隧穿效应。

该效应是指当探针尖端与样品表面保持极近距离时，探针尖端的电子可以透过空气或真空在样品表面和尖端之间产生电子隧穿现象。

探针尖端带有很小的直流电压，通过测量隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑信息。

二、扫描隧道显微镜的构造扫描隧道显微镜通常由五个主要部分组成：探针、扫描系统、反馈系统、信号检测系统和显像系统。

探针是连接样品和探针部分的关键部件，它具有尖端半导体材料的尖形结构。

扫描系统负责探针在样品表面进行扫描运动，以获得样品表面的图像。

反馈系统监测隧穿电流的变化，并控制探针与样品的距离，使得电流保持在恒定的水平。

信号检测系统将测得的电流信号转化为可视化的图像信号。

显像系统将图像信号输出到显示器上，供研究人员观察和分析。

三、扫描隧道显微镜的应用1. 表面拓扑图像成像扫描隧道显微镜能够显示样品表面的原子级拓扑结构，揭示材料表面的缺陷、晶格等特征。

这对于材料科学家来说非常重要，可以帮助他们理解材料的物理、化学性质，并指导新材料的设计和合成。

2. 研究表面反应动力学通过在扫描隧道显微镜下加热样品或在样品表面引入化学反应物，科学家可以观察到反应动力学的实时变化，研究反应速率、中间体的形成和消失等。

这些研究对于理解催化反应、表面化学过程以及生物分子的相互作用机制具有重要意义。

3. 生命科学研究扫描隧道显微镜在生命科学领域的应用越来越广泛。

它可以用于研究生物大分子的结构和功能，如蛋白质、DNA等。

同时，STM还可以观察活细胞的表面形貌，追踪细胞生长和分裂过程，为生物学家提供有关细胞行为和生物分子的丰富信息。