扫描隧道显微镜

世界上第1台扫描隧道显微镜
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
世界上第1台扫描隧道显微镜
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
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。
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3.表面轮廓仪 为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
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。
5.场发射形貌描绘仪
场 发 射 原 理 在 1956 年 由 R.Young 提 出 ， 但 直 到 1971 年 R.Young 和 J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上， 是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压 电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上， 由反馈电路控制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲率 半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，
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缺点
• 1、在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下，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。对铂超细 粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形 貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测 中则不会出现这种问题。 在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会 有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间 的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得 尤为重要。
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 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
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。

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。

扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜，它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。

STM是一种非常重要的显微镜，它可以在原子尺度上观察表面的原子结构，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。

本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。

扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。

当一个尖端探针靠近样品表面时，尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。

这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关，当探针移动时，电流的大小也会发生变化。

通过测量这个隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑结构信息。

在STM中，尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上，可以在样品表面来回扫描。

当探针靠近样品表面时，由于隧穿效应，会产生隧穿电流。

探针和样品之间的距离非常小，通常在纳米尺度，这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。

通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小，可以得到样品表面的原子结构信息。

扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为，首先，将尖端探针放置在样品表面附近，然后通过控制尖端探针的位置，使其在样品表面上来回扫描。

在扫描的过程中，测量隧穿电流的大小，并将这些数据转换成图像，就可以得到样品表面的拓扑结构信息。

通过对这些图像的分析，可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。

扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力，可以在原子尺度上观察样品表面的结构。

它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用，可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。

同时，随着技术的不断进步，STM的分辨率和稳定性也在不断提高，为科学研究提供了强大的工具。

总之，扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜，利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。

它具有高分辨率、原子尺度的观测能力，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。

扫描隧道显微镜的基本原理1. 扫描隧道显微镜是一种神奇的科学装置，它可以让我们看到微观世界的奇妙景象。

要说起这个玩意儿的原理，简直就是科技界的神秘密码！1.1 让我们从名字的意思来破解这个密码吧。

首先，扫描就是用一种方式逐点扫描样本，像是寸步不离地细细品味。

然后，隧道指的是咱们中国古话里那个进退两难的境地。

看来这种显微镜是要在微观世界中找出那些难以被捉摸的秘密啊！1.2 不过，这玩意儿还是要依赖一些高科技的手段才能实现的。

首先，它会用一个超微小的探头，就像是一个小小的侦探，勇敢地探索着微观世界的深处。

这个探头能够感知到样本表面的微小变化，并且把它们转换成电信号。

1.2.1 接下来，就要展现高超的“探案”能力了！扫描隧道显微镜会使用一个非常尖锐的探针，它就像是侦探手里的放大镜，可以无情地放大样本表面的细微细节。

1.2.2 不过，这个探针也太小了吧！要是弄丢了，估计上天也不一定能找得回来。

所以，为了确保它能按时上岗，并保持“锐利”的状态，科学家们还得定期给它“修葺”一番。

毕竟，谁都不愿意让自己身边的“利器”变得变得钝掉。

2. 接下来，就该让我们来揭开扫描隧道显微镜的“里子”是什么了！不过别着急，一步步来，急什么嘛！2.1 前方高能！这可是个重要节点！扫描隧道显微镜会在样本的表面上来回扫描，每次扫描一个细小的区域。

它就像是个负责任的记者，会把每个区域的情况都详细地汇报给我们。

2.1.1 那么，它是怎么“汇报”的呢？它会通过探针与样本之间的相互作用，来获取一系列精密的数据。

这些数据包含了样本表面的形状、材料成分甚至是电子结构。

简直就像是个微观世界的偷窥狂，悄无声息地窥探着每一处角落。

2.2 嗯，看来扫描隧道显微镜可不是吹牛逼的！它远不止是给我们看看样本长啥样的玩意儿。

它能够帮助科学家们深入研究材料的性质，进而探索出一些奇妙的规律和现象。

2.2.1 比如，可以通过它来观察材料表面的纳米结构，这可是一项了不起的技术！有了它，科学家们可以更好地了解材料的性质和行为，进而开发出更牛逼的材料和器件。

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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。
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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

扫描隧道显微镜中的探针和样品表面之间的距离非常近，当加上一定的电压时，电子就能 够穿过两者之间的势垒形成隧道电流。通过测量这个隧道电流的变化，就可以得到样品表 面的高分辨率图像。
02
扫描隧道显微镜的基本原理
量子隧穿效应
微观粒子波动性
在量子力学中，微观粒子如电子具有 波动性，可以穿透比其动能更高的势 垒，即发生隧穿效应。
隧穿概率
粒子穿透势垒的概率取决于势垒的高 度和宽度，势垒越低、越窄，隧穿概 率越高。
扫描隧道显微镜的工作原理
探针与样品接近
01
在扫描隧道显微镜中，尖锐的探针接近样品表面，二者之间形
成一个势垒。
电子隧穿
02
当探针与样品之间的距离足够近时，电子可以穿过势垒，形成
隧穿电流。
电流变化与距离关系
03
隧穿电流的大小对探针与样品之间的距离非常敏感，距离微小
扫描隧道显微镜的原理及应 用
演讲人：
日期：
• 引言 • 扫描隧道显微镜的基本原理 • 扫描隧道显微镜的构造与性能 • 扫描隧道显微镜的应用领域
• 扫描隧道显微镜的实验技术与方法 • 扫描隧道显微镜的发展趋势与挑战
01
引言
扫描隧道显微镜的发明与意义
发明背景
扫描隧道显微镜（STM）是20世 纪80年代初发明的一种新型表面 分析工具，它的出现为微观领域
03
技术瓶颈
应用局限性
成本与普及
进一步提高STM的分辨率和稳定 性面临技术瓶颈，需要新的理论 和方法指导。
STM在某些特殊环境和条件下的 应用受到限制，如高温、强磁场 等。
高性能的STM仪器价格昂贵，限 制了其在更广泛领域的应用和普 及。
THANKS
感谢观看

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原子和分子的操纵与“量子幻影”
• 扫描隧道显微镜不仅可以对表面原子、分 子成像，对表面进行刻写，还可以操纵单 个原子和分子。
• 这方面的开创性工作是IBM公司的科学家做 出的。
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用扫描隧道显微 镜针尖移动原子 排成的汉字“原 子”
• 纳米神算子—— 分子算盘 • 科学家把碳60分子每十个
一组放在铜的表面组成了 世界上最小的算盘。与普 通算盘不同的是，算珠不 是用细杆穿起来，而是沿 着铜表面的原子台阶排列 的。
的信息 (表面形貌和表面电子态)转 化为图像记录下来。
.
STM图像解释
STM图像反映的是样品表面的局域电子 结构和遂穿势垒的空间变化，而与表面原 子核的位置没有直接关系，不能将观测到 的表面高低起伏简单的归结为原子的排布 结构。另外，STM针尖也不只被动的对表 面成像，事实上，其电子结构对成像的结 果有时会产生重要影响。
如果钴原子被置于量 子围栏焦点之外的任意 一个地方，即不在焦点 上，“幻影”效应随即 消失。看上去只有一个 原子。
这个实验结果的重要意 义在于直接观察到量子效应 将信息从一个原子传送到另 一个原子，中间无需任何连 接，而不可思议的是另一个 原子不一定是真实的。这一 现象在我们所处的宏观世界
中是不可能发生的。
• 这种随时间连续观察的方式对于研究表面 纳米结构的稳定性是十分有用的。
.
用扫描隧道显微镜观察Pt 原子在Pt（110）表面运动 的系列图像。将四幅图一起 比较，可发现有些原子的位 置发生了改变.每幅图的尺 寸是15nmx15nm,采集一幅 图的时间为13秒，T=61OC
.
银纳米（小于10nm)岛在银表面的消失， . 整个过程经历了47分钟
.
纳米材料分析和表征

应用
隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感， 隧道间隙即使只发生0.01nm的变化，也能引起 隧道电流的显著变化。 如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该光滑 样品表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在 x，y方向扫描，由于每个原子有一定大小，因而 在扫描过程中隧道间隙就会随x，y的不同而不同， 流过探针的隧道电流也不同。即使是百分之几纳 米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。利用 一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变 化记录下来，即可得到分辨本领为百分之几纳米 的扫描隧道电子显微镜图像。
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 的结合将渗透到表面科学、 材料科学、生命科学等各个科学技术领域 中。
应用
隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应 及隧道电流。金属体内存在大量"自由"电子，这些"自由" 电子在金属体内的能量分布集中于费米能级附近，而在 金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此， 从经典物理学来看，在金属内的"自由"电子，只有能量 高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外 部。但根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波 动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时， 会有一部分透射。也就是说，会有部分能量低于表面势 垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的"电 子云"。这种效应称为隧道效应。所以，当两种金属靠得 很近时（几纳米以下），两种金属的电子云将互相渗透。 当加上适当的电压时，即使两种金属并未真正接触，也 会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流称为隧 道电流。

仪器分析
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜
主要内容：
• 扫描隧道显微镜的成像原理 • 扫描隧道显微镜的结构和工作原理 • 扫描隧道显微镜的工作模式 • 扫描隧道显微镜在材料研究中的应用
扫描隧道显微镜的成像原理
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（＜1.0 nm）时，当在它们之间施加一偏置电压Vb(Vb通常 为2 mV-2 V)时，电子就可以因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖)而形成
扫描方向 探针
样品
恒高模式
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。 此模式通常用来测 量表面形貌起伏不 大的样品。
扫描隧道显微镜在材料研究中的应用
测 试 环 境 ： 大气、真空、液体状态；单晶、多晶及非晶样品；从液氦温度到上千度的高温。 应用：观察表面原子结构形貌图；实现了材料表面的探伤及修补；实现了单原子和单分子 操纵；在分子水平上构造电子学器件。 优点：分辨率极高；可得到实时、真实的样品表面的高分辨率图象；使用环境宽松；应用 领域宽广；价格相对电子显微镜等大型仪器较低。 局限：在恒电流工作模式下对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测；只能用于观 察导体和半导体等导电材料的表面结构；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：
I∝Vbexp(-kΦ1/2s) 式中：k为常数，在真空条件下约等于1； Φ为针尖与样品的平均功函数；s为针尖与样品
表面之间的距离，一般为0.3-1.0nm。
距离减小/增加0.1nm，隧道电流即增加/减少约一
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

看见微观世界扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用看见微观世界：扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近几十年来发展起来的两种重要的研究微观世界的仪器。

它们通过利用微探针对样品表面的扫描，获得高分辨率的表面形貌和电子结构等信息。

本文将介绍扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理以及它们在不同领域中的应用。

一、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜是一种利用量子隧穿效应来进行成像的仪器。

它的原理是在扫描过程中，通过置于样品和探针之间的微小电压差，使电子通过样品表面的微观障垒。

根据电子隧穿电流的强弱，我们可以获得样品表面的拓扑信息。

扫描隧道显微镜的应用非常广泛。

首先，在表面科学研究领域，它被用于研究材料的表面形貌和电子结构等特性。

例如，科学家们可以通过STM观察和操纵单个原子和分子，探索材料表面的奇特现象，进一步理解材料的性质。

其次，在生物医学领域，扫描隧道显微镜可以被用于观察和研究生物分子的结构和功能。

通过在生物大分子上进行扫描，我们可以更好地了解生物分子的结构与功能之间的关系，从而有助于生物医学研究的进展。

此外，在纳米技术领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于纳米器件和纳米结构的研究与制备。

通过STM观察和操作纳米尺度结构，我们可以探索纳米尺度下的材料特性，为纳米科技的发展提供技术支持。

二、原子力显微镜原子力显微镜是一种通过探测样品表面的力信号来获得高分辨率成像的仪器。

它的工作原理是利用探针与样品表面之间的相互作用力，来感知和测量样品表面的微小高度变化。

通过控制探针与样品之间的力保持恒定，我们可以得到准确的表面形貌和性质信息。

原子力显微镜具有广泛的应用领域。

在材料科学领域，AFM可以用于研究材料的力学性质和表面细节。

通过测量力曲线和观察样品表面的纳米级细节，我们可以了解材料的力学特性，例如弹性模量和摩擦力等。

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。

扫描隧道电子显微镜编辑锁定本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。

扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，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。

中文名扫描隧道电子显微镜外文名scanning tunneling microscop简称STM发明者格尔德·宾宁目录1. 1 定义2. 2 背景3. 3 发展1. 4 原理2. 5 工作方式3. ▪恒流模式4. ▪恒高模式1. 6 应用2. 7 展望定义编辑扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，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。

背景编辑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，而且分辫率也受到很大限制。

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象（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。

扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。

它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性，能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。

本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。

一、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。

它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。

当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时，由于量子隧穿效应的存在，探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面，形成一晶格单位长度上的隧穿电流。

通过控制探针和样品之间的距离，并测量隧穿电流的变化，就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。

STM的应用非常广泛。

首先，它可以用于表面形貌的观察和测量。

利用STM的纳米尺度分辨率，可以研究材料表面的形貌结构，比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。

其次，STM可以用于电子能级的探测。

通过测量隧穿电流的大小和变化，可以了解样品的电子性质，比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。

另外，STM还可以用于表面化学反应的研究。

通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段，可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。

二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）AFM是由盖柏勒（Gerd Binnig）和罗隆德（Heinrich Rohrer）于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。

它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。

AFM采用非接触的方式，将探针尖端靠近样品表面，并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度，来推测表面的形貌和性质。

什么是扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM）是一种扫描探针显微术工具，它可以让科学家观察和定位单个原子，具有比同类原子力显微镜更高的分辨率。

STM在低温下（4K）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。

扫描隧道显微镜利用量子力学中的隧道效应，当扫描针尖在样品表面上方沿z轴来回扫描时，由于针尖和样品之间的距离非常近，使得针尖和样品之间产生隧道效应，从而获得表面形貌的微细结构信息。

扫描隧道显微镜具有原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。

STM在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。

如需了解更多有关扫描隧道显微镜的信息，可以查阅相关的专业文献，或者咨询相关领域的专家学者。

实验八扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope（STM）引言上世纪八十年代初，IBM Zurich 实验室的Binnig 和Rohrer 发明了扫描隧道显微镜(scanning Tunneling Microscope，简称STM )，很快他们就因此获得了诺贝尔物理奖。

当初他们的动机仅仅是为了了解很薄的绝缘体的局域结构、电子特性以及生长性质，可是当他们想到用“电子隧穿”可以进行局域探测后，STM 这个局域探测手段便应用而生了。

STM 一出现，人们就为它的威力所震撼，随后他的家族成员如扫描力显微镜(Scanning ForceMicroscope, SFM), 磁力显微镜( Magnetic Force Microscope, MFM)及近光学场显微镜(Scanning Near-Field Optical Microscope, SNOM)等相继诞生，并在科学技术领域迅速地发挥越来越大的作用。

作为显微镜，STM 的优越性首先在于其高分辨率本领。

它平行于表面的(横向)分辨本领为一埃，而垂直于表面的(纵向)分辨本领优于一埃。

当然，STM 还有更多的优越之处。

例如电镜和扫描电镜(SEM))不能对表面原子成像；高分辨透射电镜(TEM)主要用于对体或界面的成像，并且只局限于很薄的样品；场发射显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)只能探测半径小于1000埃的针尖表面的二维的原子几何结构，并且要求表面在强电场的作用下是稳定的。

而STM 却避开了这些困难，它与其它显微镜的的主要区别在于：它不需要粒子源，亦不需要透镜来聚焦。

和常规的原子级分辨仪器(如光衍射及低能电子衍射等)相比，其优越性则在于，第一，它能给出实空间的信息，而不是较难解释的K 空间的信息；第二，它可以对各种局域结构或非周期结构(如缺陷、生长中心等)进行研究，而不只限制于晶体或周期结构。

除此之外，STM 不仅能提供样品形貌的三维实空间信息、给出表面的局域电子态密度和局域功函数等信息，而且还能在介观尺度上对表面进行可控的局域加工并对加工产生的纳米结构进行各种研究。

表面改性
STMs可用于表面改性研究，通过控制表面的原子排列和电子结构 ，实现材料性能的优化。
表面化学反应
STMs可以实时监测表面化学反应过程，研究反应机理和动力学， 有助于开发新的化学反应路线。
纳米科技
纳米结构制备
STMs可以用于制备各种纳米 结构，如纳米线、纳米颗粒、 纳米管等，为开发新型纳米材
01
STMs与其他测量技术的 比较
原子力显微镜（AFM）
总结词
原子力显微镜（AFM）是一种常用于表面形貌测量的技 术，它利用原子之间的相互作用力来成像样本表面。
详细描述
AFM技术具有原子级分辨率，可以用于研究不同材料表 面的纳米级形貌和物理性质。与STMs相比，AFM的优 点在于其操作简单、适用范围广，对样本无损伤，缺点 在于其分辨率较低，对测量环境要求较高。
原子级分辨成像技术（ARP）
总结词
原子级分辨成像技术（ARP）是一种通过离子束或电子束轰 击样本表面来实现原子级分辨率成像的技术。
详细描述
ARP技术具有极高的分辨率，可以用于研究表面原子结构、 化学成分分布以及表面物理性质等。与STMs相比，ARP的优 点在于其分辨率高、测量速度快，缺点在于其对测量环境要 求较高，且容易对样本造成损伤。
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命过程的分子机制。
药物开发
STMs可以用来研究药物与生物 分子的相互作用，为新药开发提 供工具和手段，帮助开发出更有
效的药物。
生物医学应用
STMs在生物医学领域也有广泛 的应用，如细胞成像、组织结构 分析、生物材料表征等，有助于 深入了解生物组织和器官的结构
和功能。
01
STMs的发展趋势与挑战
提高空间分辨率与测量稳定性