STM_Yunbin

隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在 一定的条件下，隧道效应才会显著。计算可得透 射系数T为：
T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m 有着很敏感的依赖关系。随着势垒厚(宽)度a的增 加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，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 (通常小于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。
Байду номын сангаас
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xy方向进行扫描，就可以直接 得到三维的样品表面形貌图， 这就是扫描隧道显微镜的工作 原理。
S
STM的基本结构

目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、 机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属 钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电 化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成 型法，一般直接用剪刀剪切而成。
钨丝 针尖
铂- 铱 合金
针尖
压电陶瓷扫描头

由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的 扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。 目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器 件。 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。目前广泛采用的是多 晶压电陶瓷材料，如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1mV100V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米 的位移。
empty states (Bias +1.8V) +
电子
+
-
电子
a
b
filled states (Bias -1.8V)
Lucia Vitali, PhD thesis, Universitä t Graz
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
STM的应用
金属及半导体单晶表面结构研究

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0.01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，导电物质表面结 构的原子、分子状态清晰可见。“看见”了以前 所看不到的东西。
Si (111) 7x7
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


单原子操纵
Xe / Ni(110)
D. Eigler & E. Schweizer, Nature 344, 524 (1990)
Iron on Copper (111)
扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动， 探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。



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。
G.Binning
H.Rohrer
STM的工作原理
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。

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。 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，这个现象称为隧道效应。
隧道电 流~1nA 偏压~1v
（隧道探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝 等，探针针尖近乎单个原子；被观测样品应具有一定的导电性才 可以产生隧道电流）

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以及平均功函数Φ有关：
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压; 平均功函数 ，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; S为针尖和样品之间距离）

STM的独特优点
具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、 纵向0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可在真空、大气、常温、变温等不同环境 下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液 中，不需要特别的制样技术，且探测过程 对样品无损伤。 可用来移动和操纵单个原子和分子。

STM的工作模式

恒电流模式

恒高度模式
恒电流模式

x-y方向进行扫描，在z方向加上 电子反馈系统，初始隧道电流为 一恒定值，当样品表面凸起时， 针尖就向后退；反之，样品表面 凹进时，反馈系统就使针尖向前 移动，以控制隧道电流的恒定。 将针尖在样品表面扫描时的运动 轨迹在记录纸或荧光屏上显示出 来，就得到了样品表面的态密度 的分布或原子排列的图象。此模 式可用来观察表面形貌起伏较大 的样品，也是STM常用的工作模 式。
恒高度模式

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。这种 模式通常用来测 量表面形貌起伏 不大的样品。
隧道针尖

隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问 题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着 扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也 影响着测定的电子态。
[Lutz & Eigler]
Building of a quantum ‘corral’
Iron on Copper (111)
M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Science 262, 218-220 (1993).
STM的其他应用

利用STM可望实现单分子化学反应：单原 子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力 的潜在应用是可能实现“选键化学”──对 分子内的化学键进行选择性的加工。

利用STM在分子水平上构造电子学器件。
扫描隧道显微镜的局限性:

扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，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. 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性， 对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本 无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电 层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨 率。

不能对原子直接观察和操纵！

X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出 样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进 行研究．

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（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20世纪80年代 世界十大科技成就之一．1986年宾尼和罗雷尔被授予 诺贝尔物理学奖． (鲁斯卡 TEM)

针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率， 从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的 尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧 道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。 针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针 尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的 阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二 者就发生碰撞。
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
STM的原理和应用
发
明 原 理 应 用 发 展
扫描隧道显微镜的发明


人眼的分辨率为10-4米 (0.1 mm)
光学显微镜分辨率为10-7米 (100 nm) 扫描透射电子显微镜分辨率为10-10米 (0.1 nm）(仅限于 体相和界面结构的观测） 场离子显微镜分辨率为10-10米 (0.1 nm) （但只能探测半 径小于 100 nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且 样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限. ）