扫描隧道显微镜原理及应用 - 副本
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。
隧道扫描显微镜
隧道扫描显微镜
隧道扫描显微镜是一种先进的显微镜技术，它能够实现原子级别的分辨率，为科学研究和材料表征提供了强大的工具。
本文将介绍隧道扫描显微镜的原理、应用以及未来发展趋势。
原理
隧道扫描显微镜利用量子力学中的隧道效应实现高分辨率成像。
其基本原理是通过一个非常尖锐的探针（通常是金属尖端）在样品表面扫描，探测器测量探针和样品之间的隧道电流，并根据这些数据生成图像。
由于隧道电流高度依赖于探针和样品之间的距离，因此隧道扫描显微镜可以实现原子级别的分辨率。
应用
隧道扫描显微镜在各种领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以用来研究表面形貌、原子结构、电荷分布等；在生命科学中，可以用来观察生物分子、细胞结构等；在纳米技术领域，可以用来制备和表征纳米材料；在半导体工业中，可以用来检测芯片上的缺陷和杂质等。
隧道扫描显微镜的高分辨率、高灵敏度和非破坏性成像特性使其成为当今科学研究中不可或缺的工具。
未来发展趋势
随着科学技术的不断发展，隧道扫描显微镜也在不断演进。
未来隧道扫描显微镜可能会实现更高的分辨率，更快的成像速度，更广泛的适用范围，以及更加智能化的数据处理和分析能力。
隧道扫描显微镜有望在材料科学、生命科学、纳米技术等领域发挥更大的作用，带来更多的科学发现和技术突破。
结论
隧道扫描显微镜作为一种高端的显微镜技术，已经成为现代科学研究中不可或缺的工具。
它通过量子力学中的隧道效应实现原子级别的分辨率，在材料科学、生命科学、纳米技术等领域都有广泛的应用。
隧道扫描显微镜的发展前景十分广阔，将为科学领域带来新的突破和创新。
扫描隧道显微镜 原理
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。
扫描隧道显微镜的工作原理与应用
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。
扫描隧道显微镜原理及应用
标题：扫描隧道显微镜原理及应用日期：2012-5一、扫描隧道显微镜的发展人类以前仅仅靠用眼睛去观察世界，但是这是非常有限的，因为人眼能够直接分辨的最小间隔大约为0.07mm，而且，人的手也不能操纵微小的事物。
但是人类额可以利用实验仪器来完成这些。
人们发明了光学显微镜，但是光学显微镜由于自身原理的限制，只能达到100nm左右的数量级。
而后，随着电子显微镜的发明，使得人们可以分辨的事物达到了1nm或者0.1nm 的数量级。
但是这还是远远不够的。
随着人类思想和创造性的发展，一种更精密的仪器出现了。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。
STM能够具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率可达到0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子；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；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；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等。
以上优点足以证明STM对人们研究科学现象有着巨大的作用。
二、扫描隧道显微镜基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学理论中的隧道效应。
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V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。
扫描隧道显微镜的基本原理
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。
扫描隧道显微镜的原理及应用
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。
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扫描隧道显微镜实验技术的使用教程
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。
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用【摘要】本实验主要是通过电化学腐蚀钨丝的方法制备扫描隧道显微镜的针尖，用所制备的针尖对石墨样品进行扫描从而获得石墨样品表面的原子分辨像，结合石墨的六角晶格结构和晶格常数，对石墨表面图像进行处理分析，求得x 和Y 方向的灵敏度约为15.74 Å/V关键词：探针、STM 、隧道效应、粗逼近、原子分辨像一、实验引言：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。
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。
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 能够逐个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以及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
为表彰STM 的发明者们对科学研究所做出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
STM 技术的最大优点是可以获得原子级的高分辨率，在平行表面的方向可达0.1nm ，在垂直表面的方向可达0.01nm 。
此外STM 还可获得物体表面实空间的三维图像，可以观察单个原子的局部表面结构，并且可以得到表面电子结构的信息。
STM 也有明显的缺；由于原子波函数的叠加，STM 在恒定电流的工作模式下对样品表面的某些沟槽不能准确地探测，与此相关的分辨率较差；另外，其观察的样品必须具有导电性，致使其使用范围受到很大的限制。
不过其后衍生出的原子力显微镜、磁力显微镜弥补了这相面的不足，使得探针显微技术不独完善，并在纳米技术领域得到了广泛的应用。
二、实验原理：1、理论原理在经典理论中，动能只能去非负值，因此一个粒子的势能要大于它的总能量是不可能的。
但在量子理论中，若势能有限，且V()r E >，则Shrodinger 方程为：22()()()()2V r r E r r m ϕϕ⎡⎤-∇+=⎢⎥⎣⎦（1） 其解不为零，即一个入射粒子穿透一个V()r E >的有限区域的几率是非零的，这称隧道效应。
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。
扫描隧道显微镜的基本原理及应用
扫描隧道显微镜的基本原理及应用扫描隧道显微镜是一种先进的分析测试工具，其基本原理和应用领域一直备受关注。
随着科学技术的进步，人们对于各种物质的研究深入深入，需要更加精确、高效的分析工具来满足科学家的需要。
本文将从扫描隧道显微镜的基本原理、应用领域和发展前景进行探讨。
扫描隧道显微镜的基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学中的量子隧穿效应，将金属探针置于样品表面的原子层级，使得电连接在样品表面与探针之间通过量子隧穿现象得以建立，探头记录样品表面电流变化可据此反映出样品的表面几何形态及电子性质等。
它采用非接触方式，在样品表面测得原子尺度及次原子尺度以下的拓扑信息。
扫描隧道显微镜通过三个部分实现基本原理，一是样品，二是扫描器，三是探针。
样品显微镜需要按照一定的形状，制成薄片或压制成球状，以便于扫描器可以准确地读取样品表面的状态，探针是非常重要的组成部分，它通过隧道电流作用于样品表面，使得显示器显示出三维图像。
由于探针容易损坏或磨损，因此样品与探针之间的距离必须稳定维持在纳米尺度。
通常来说，扫描隧道显微镜的工作原理可以分成三个步骤，首先是探针和样品之间靠近并接触，随后是扫描器进行扫描，最后是记录并处理数据以得到样品表面的高度图和顶部化学活性特征等。
扫描隧道显微镜的应用领域扫描隧道显微镜在材料科学、化学、生物学、地质学等领域中具有广泛的应用，能够实现样品的原位观察、加工及表征。
首先，扫描隧道显微镜在材料科学中的应用非常丰富，可以利用扫描隧穿技术观察原子、分子、表面结构的形貌和特征，对材料的微观和纳米尺度特征进行精准的表征，并能够对金属材料、生物材料和纳米材料等进行研究和分析。
其次，在化学领域中，扫描隧道显微镜常常用于分子构象的研究，可以对单分子进行化学、物理性质的表征，对化学反应的研究和分析也有较大的帮助。
此外，在生物领域中，扫描隧道显微镜被广泛应用于生物分子结构、生物膜、单活细胞、生命进程等方面的研究，是生物技术发展的关键工具。
扫描隧道显微镜的原理与应用
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。
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用随着科技的发展，我们能够看到越来越微小的物质，这对于人类研究新材料、新技术具有重要意义。
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）就是一种现代的纳米尺度下的表征手段，它可以帮助我们观察和理解物质的微观结构和性质。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其在物理、化学、材料科学等领域的应用。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是李世英和麦克米伦在1981年研究成功的，其核心部件是一个微小的探针。
探针由单一原子尖端构成，其直径只有1至2纳米（nm），比人类头发直径还要小上百倍。
这种探针可以通过微操纵控制在样品表面上移动，同时通过传感器和计算机生成高分辨率三维图像。
扫描隧道显微镜的原理是利用量子力学隧穿效应实现的。
隧穿效应是指电子在固体间距很小的几个原子距离时，能够从一侧隧穿到另一侧。
在扫描隧道显微镜中，探针与样品表面间存在微小的空隙，当给探针和样品表面施加微小的电压后，电子就能够通过隧穿现象发生电流。
通过控制电压，可以使电子在探针和样品表面间的空隙穿透，形成扫描隧道电流。
在扫描探针不断移动和测量的过程中，计算机通过处理隧道电流数据，生成出可视化的高分辨率三维图像。
二、扫描隧道显微镜在各领域的应用扫描隧道显微镜在物理、化学、材料科学等领域的应用非常广泛。
下面介绍其中一些代表性的应用场景。
1. 材料科学材料科学研究主要关注材料的微观结构和性质，扫描隧道显微镜正是一种极其精准的工具。
通过扫描隧道显微镜，我们可以观察到材料表面的原子排列和晶格结构，更深层次的研究则可以揭示材料各种性质的起源。
2. 生物医学扫描隧道显微镜也可以用于细胞和生物标本的观察。
扫描隧道显微镜具有高分辨率的特点，可以直接观察到细胞表面的特征，甚至可以观察到生物分子的结构。
3. 量子计算机扫描隧道显微镜也可以用于制造量子计算机中的关键部件，特别是在制造原子的量子比特时。
借助扫描隧道显微镜来精确获取原子位置的信息，可以为量子计算机的制造提供支持。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
压电陶瓷或晶体
3.STM的仪器构造
所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶 体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多晶体，如石英等都具有压电性质， 但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和 钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几 分之一纳米到几微米的位移。
世界上第一台扫扫描道显微镜
葛·宾尼
海·罗雷尔
2.STM的原理
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)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(如图)这个现象称为隧道效 应。
在分子水平上构造电子学器件 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压 的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物 理现象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电 导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再 把C60移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并 检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过 对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可 广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集 成度和速度。
4.STM的应用
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
4.STM的应用
“看见”了以前所看不到的东西 STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。 一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫 描隧道显微镜下，导电物质表面的原子、分子状态清晰可见。
4.STM的应用
实现了单原子和单分子操纵 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材 料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式。 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子 沉积在材料表面。通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键 可以实现单分子操纵。
原子力显微镜
（Atomic Force Microscope , AFM）
1. AFM的发明
AFM是在STM基础上发展起来的一类显微镜，通过探测极小探针与样品表面 之间的相互作用力的大小而获得表面信息。 1986，IBM，葛· 宾尼发明了原子力显微镜(Atomic ForceMicroscope ) ——新一 代表面观测仪器。
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合
谢谢大家！
1990年，IBM公司的科学家展 示了一项令世人震惊的成果， 他们在金属镍表面用35个惰性 气体原子组成“IBM”三个英文 字母。
世界首例STM原子操纵
4.STM的应用
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是一个极具诱惑力且具有潜在应用 “选键化学”，可 以对分子内的化学键进行选择性的加工。 一个直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台 阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基 团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。 在分子水平上构造电子学器件 一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压 的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿的作用会出现新的物 理现象──负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于 C60分子的负微分电导 现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把C60 移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电 流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分 子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的 用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和 速度。
(新)扫描隧道显微镜的原理及其应用
近代物理实验课程教材实验三十六扫描隧道显微镜的原理及其应用湖南师范大学物信院近代物理实验室 金泽渊编2004年8月实验三十六 扫描隧道显微镜的原理及其应用一、实验目的1掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理。
2学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理。
3．基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并最后观察样品的表面形貌。
4正确使用AJ—1扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图象进行处理和数据分析。
二、实验仪器AJ—1型扫描隧道显微镜；P-IV型计算机；样品（两维光栅和高序石墨）；金属探针及工具。
三、实验原理1982年，IBM Zurich实验室的Bindng和Rohcer研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope），这标志着一种具有原子级分辨率的实空间成像技术诞生了，为此这两位科学家获得了1986年诺贝尔奖。
多年来，人们对物质结构的认识，大都是通过例如X射线衍射这类实验间接验证的。
而扫描隧道显微镜（STM）却能真正解决每一种导电固体表面在原子尺度上的局域电子结构，因而揭示它的表面局域原子结构—表面原子的排列图象。
STM的一种拓展，即原子力显微镜（AFM），还可以使绝缘体表面的局域原子结构成像。
使人们亲眼看见原子的存在。
因为STM能在普通环境下（如大气中）可得到稳定的、高分辨率的原子图象，并对样品无损伤、无干扰和可连续观察过程等优点因而它成为了凝聚态物理、化学、生物学和纳米材料学科的强有力的研究工具。
同时也诞生了一门崭新的科学分枝—扫描隧道显微镜学。
1．隧道效应。
在经典力学中，电子的总能量E可表示为：E =mP Z 2+U(Z) (36—1) 其中U（Z）为电子的势能，为电子的动量。
由于动量为非负的量，所以一个电子的势能U（Z）要大于它的总能量E 是完全不可能的。
对表面而言，也即物质表面是分明的，发生在表面的反射会围住电子，因而表面不存在电子云。
扫描隧道显微镜的使用教程
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。
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题目：扫描隧道显微镜原理及应用班级：物理师范（2）班组长：,,学号：,,日期：2012年5月摘要：通过对扫描轨道显微镜（STM）工作原理的学习，即量子力学中的轨道贯穿原理。
在此基础上，可以了解到本实验将通过扫描轨道显微镜（STM）获取样品表面的微观结构与物质分布，以加深我们对扫描轨道显微镜关于物理研究的理解。
关键字：扫描隧道显微镜；轨道贯穿原理；微观结构与物质分布引言：扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”，“隧道扫描显微镜”，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。
它于1981年由格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
它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，扫描隧道显微镜在低温下（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。
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。
STM与其它微细加工方法相比有其独特的特点。
首先，STM可以在各种环境下和在纳米尺度上多表面进行加工。
其次，STM是目前能够提供具有纳米尺度的低能电子束的唯一手段，在控制和研究诸如迁移、化学反应等过程中有着显而易见的重要性。
自从STM问世以来，STM作为纳米加工的工具的研究已涉及到表面直接刻写、电子束诱导沉积以及单个原子操纵等方面，并取得了一批高水平的研究成果，而用其它实验手段是不可能得到这些结果的。
正文：一、量子力学中的趣事“薛定谔的猫”1、猫的诞生薛定谔对量子力学的哥本哈根解释经常提出质疑. 1935 年.薛定谔对量子力学哥本哈根学派提出了又一次挑战.他设想一种理想实验一只猫关在一个钢盒内,盒中有下述极残忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰)在盖革计数器中有一小块辐射物质,它非常小,或许在1 小时内只有一个原子衰变.在相同的几率下或许没有一个原子衰变.如果发生衰变,计数管便放电,并通过继电器释放一锤,击碎 一个小的氢氰酸瓶.如果人们使这整个系统自己存在1 个小时, 那么人们会说,如果在期间没有原子衰变,这猫就是活的.而第一次原子衰变必定会毒杀了猫. 存在关系式 ： 2、多宇宙解释当你掷骰子,它看起会随机得到一个特定的结果.然而量子力学指出,那一瞬间你实际上掷出了每一个状态,骰子在不同的宇宙 中停在不同的点数.其中一个宇宙里,你掷出了1,另一个宇宙里你掷出了2…….然而我们仅能看到全部真实的一小部分--其中一个宇宙.多宇宙解释中的猫多宇宙认为猫并未叠加,而是分裂成了两只,一死一活,必定有一只活猫!只不过它们存在于两个平行的世界中.多宇宙理论中的问题——量子永生，现在假如有一位勇于为科学献身的仁人义士,他自告奋勇地去代替那只倒霉的猫.根据多宇宙,必定有一个你看到瓶子碎掉,另一个你在另一个世界里看到瓶子仍然完整.但问题是,看到瓶碎的那位随即就死掉了,什么感觉都没有了,这个世界对你来说就已经没有意义了.对你来说,唯一有意义的世界就是你活着的那个世界.所以,从人择原理的角度上来讲,对你唯一有意义的存在就是那些你活着的世界.你永远只会看到瓶子完好无损而继续活着!因为多宇宙和哥本哈根不同,永远都会有一个你活在某个世界!如果多宇宙理论是正确的,那么我们得到的推论是一旦一个意识开始存在,从它自身的角度来看,它就必定永生!二、隧道贯穿的原理在量子力学中，微观体系的运动状态是用一个波函数来描写的，反映微观粒子运动规律的微分方程是()t r ,ψ对时间的一阶微分方程，即: ψ+ψ∇-=∂ψ∂)(222r U t i μ(1.1) 我们称它为薛定谔方程（Schrödinger equation)，式中)r (U 是表征力场的函数。
如果作用在粒子上的力场是不随时间改变的，即力场是以势能)(r U表征的，它不显含时间，这时定态波函数所满足的方程为: ψ=ψ+ψ∇-E r U )(222μ(1.2) |u>=|e> |+|g> |⊕⊕死猫>活猫>U(x) E U 0 (Ⅲ)(Ⅱ) x0 a 称为定态薛定谔方程（Schrödin ger equation of stationary state )，其中E 表示微观粒子处于这个波函数所描写的状态时的能量，且其能量具有确定值。
设一个粒子，沿x 轴正方向运动，其势能为:⎩⎨⎧=0)(0U x U （2.1） 这种势能分布称为一维势垒。
如图2.1所示，故称方势垒。
虽然方势垒只是一种理想的情况，但却是计算一维运动粒子被任意场散射的基础。
粒子在0x <区域内，若其能量小于势垒高度，经典物理来看是不能超越势垒达到0x >的区域。
在量子力学中，情况则不一样。
为了讨论方便，我们把整个区域分为三个区域：Ⅰ()0x ≤，Ⅱ()0x a ≤≤，Ⅲ()x a ≥图2.1 一维方型势垒为了方便起见，将整个空间划分为三个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，则其定态薛定谔方程为222202220 (0,),2()0(0).d E x x a dx d E U x a dx μμ⎧ψ+ψ=≤≥⎪⎪⎨ψ⎪+-ψ=≤≤⎪⎩ (2.2) 当0U E >时，透射系数T ，反射系数为R2212222222122122222122222222122124()sin 4()sin ()sin 4k k T k k k a k k k k k a R k k k a k k ⎧=⎪-+⎪⎨-⎪=⎪-+⎩当0U E <时，只需令32ik k =即可，透射系数 2213222222133134()4k k T k k sh k a k k =++ (2.5) 反射系数为（Ⅰ） )0(a x ≤≤ ),0(a x x ≥≤ （2.3） （2.4）1R T =- (2.6)如果粒子能量比势垒高度小得多，即0U E <<，同时势垒的宽度a 不太大，以致13>>a k ，则a k a k e e33->> ，此时233a k e a shk ≈ ，于是 32213222222131341()44k a k k T k k e k k ≈++ 322313111()116k a k k e k k =++ (2.7) )(1331k k k k +为恒大于1的数值，当13>>a k 时432>>a k e 0322(200U k a T T e T e μ---== (2.8)当0E U >的时候，按照经典力学观点，在0E U >情况下，粒子应畅通无阻的全部通过势垒，而不会在势垒上发生反射。
而在微观粒子的情形，则会发生发射。
当0E U <的时候，从解薛定谔方程的结果来看，在势垒内部存在波函数。
即在势垒内部找出粒子的概率不为零，同时在x a >区域也存在波函数，所以粒子还可能穿过势垒进入x a >区域。
粒子在总能量E 小于势垒高度时仍能贯穿势垒的现象称为遂道效应。
其中221302221316()k k T k k =+ 它的数量级接近于1，所以透射系数随势垒的加宽或加高而减小。
由上面的结果我们可以看到，微观粒子被势垒散射有与宏观粒子完全不同的效应。
当一个宏观粒子的能量E 大于势垒高度0U 时，此粒子将通过区域（Ⅱ）而进入区域（Ⅲ）。
但是对于一个能量0U E >的微观粒子，不但有穿过势垒的可能，而且还有被反射的可能。
如果一个宏观粒子的能量0U E <，则当此粒子在区域（Ⅰ）内由左向右运动到达势垒边界时将被反射，所以粒子不可能穿过区域（Ⅱ）而进入区域（Ⅲ）。
但是对于一个0U E <的微观粒子却不然，它既有被反射的可能，也有穿透势垒而进入区域（Ⅲ）的可能，这种贯穿势垒的效应称为隧道效应。
三、隧道效应的应用——隧道扫描显微镜（Scanning Tunnel Microscope ）1、原理介绍扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探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。
根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。
在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。
用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠。
若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I 。
隧道电流I 的大小与针尖和样品间的距离s 以及样品表面平均势垒的高度有关，其关系为，式中A为常量。
如果s以nm为单位，以eV为单位，则在真空条件下，A ≈1，。
由此可见，隧道电流I 对针尖与样品表面之间的距离s 极为敏感，如果s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。
当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。
借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。
一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。
扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。
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，如右图所示，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。
STM有两种工作方式。
一种称为恒电流模式，如下左图所示。
利用一套电子反馈线路控制隧道电流I ，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I 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，STM得到了样品表面的三维立体信息。
这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。