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。

尖端制备方法有机械断裂法和电化学腐蚀法，样品制备方法包括化学气相沉积和物理气相沉积等。

搭建探测系统需要探测器、样品台和信号处理系统的配合。

扫描隧道显微镜的发明和应用为人们研究固体表面提供了一种无与伦比的工具，具有很高的分辨率和灵敏度。

它已被广泛应用于物理学、化学、材料科学和生物学领域的研究之中。

通过不断改进和创新，相信扫描隧道显微镜在未来会有更加广泛的应用和进一步的突破。