扫描隧穿显微镜(主讲)

• （ 3 ） 根据探测到的隧穿电流，经计
算机分析处理后，可获得能够转换为 样品表面的三维图像。
目 前 ， STM 的 横 向 分 辨 率 可 达 0.1nm 、纵向分辨率可达 0.01nm ，其放 大倍数高达1亿倍，故能分辨出单个原 子。于是利用STM探针，可实现对原子 和分子的移动和操纵，这为纳米科技 的全面发展奠定了技术基础。
(a)石墨表面
（b）量子围栏
（c）血细胞
（d）石墨烯表面
第七组成员：谢高杰、邱 阳、黄 琨 罗 强、谢霞霞、王俊波 李 奇、徐文武、张荣凯 胡 然
谢 谢 观 赏！
• 实例： 1993 年 8 月，我国科学家利用
超真空扫描隧穿显微镜，在一块晶体 硅的表面通过探针的作用搬走原子， 写下了“中国”两个汉字。
• （2）依赖于STM能够操纵原子的原理
，诞生了一门在 0.1——100nm 尺度空 间内研究电子、原子、分子运动规律 与特性的新科技——纳米科技，纳米 科技的最终目标是人类能按照自己的 意志直接操纵单个原子，制造具有特 定功能的新产品。
1stm具有一个非常细小的探针针的最尖端只有一个原子当探针接近待测物体表面一般小于1个纳米时探针与表面充当了两个电极在外加电场的作用下电子即会穿过两个电极之间的绝缘层从一个电极到另一个电极从而产生电流这种现象称为隧穿效应电流称为遂穿电流
6.5 扫描隧穿显微镜
第七小组制作
扫描隧穿显微镜是一种通过隧穿效应原
理来探测物体结构、形状和探测原子、分子 的运动规律等的精密仪器！
格尔德·宾尼
海因里希·罗雷尔
一、扫描隧穿显微镜的发明
• （ 1 ） 最早在 16 世纪末，荷兰和意大 利的眼镜制造者就已经造出了类似显 微镜的放大仪器。
• （2）最初的显微镜是17世纪的光学 显微镜（1665年，英国物理学家胡克
自制了一架上下两块透镜组成的复合 显微镜）。但由于光的衍射现象使观 察尺寸小于二分之一光波波长的物体 ，变得模糊不清，因此光学显微镜的 分辨能力非常有限（观察极限为两点 间距不能小于200nm）。
• （ 3 ） 20 世纪 20 年代， 电子显微镜
被发明。电子显微镜用高能电子束代 替光束，由于电子束的波长远小于光 束的波长，突破了光波的衍射极限， 所以电子显微镜的分辨率达到了约 0.2nm ， 远 高 于 光 学 显 微 镜 的 分 辨 率 200nm。但由于高速电子极容易穿透至 物质深处，低速电子又容易被样品的 电磁场偏折，因此电子显微镜几乎不 能对物体表面结构进行研究。
• （ 4 ） 20 世纪 80 年代，出现了能够观 察物质表面结构的显微技术——扫描 隧 穿 显 微 镜 （ Scanning Tunnel
Microscope ，缩写为 STM ）（扫描隧穿 显微镜是由德国的格尔德.宾宁及瑞士 的海因里希.罗雷尔于1981年发明的） ，它能直接观察物体的表面结构，而 不会对样品表面造成任何损伤。
• （5）在扫描隧道显微镜出现以后，又陆
续发展了一系列新型的扫描探针显微镜， 例如，原子力显微镜（AFM）、激光力显 微镜 （ LFM ）、 磁力显微镜 （ MFM ）、 弹 道电子发射显微镜 （BEEM）、扫描离子 电导显微镜 （SICM ）、扫描热显微镜 （ STHM ）和 扫描隧道电位仪 （ STP ）等等。 这些新型的显微镜，都利用了反馈回路控 制探针在距离样品表面 1nm处或远离样品表 面扫描（或样品相对于探针扫描）的工作 方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得 的有关表面的各种信息，对S扫描隧穿显微镜是利用了量子理 论中的隧穿效应而设计的，下图所示 为它的简化结构图：
（1）STM具有一个非常细小的探针，针
的最尖端只有一个原子，当探针接近 待测物体表面（一般小于1个纳米）时 ，探针与表面充当了两个电极，在外 加电场的作用下，电子即会穿过两个 电极之间的绝缘层，从一个电极到另 一个电极，从而产生电流，这种现象 称为隧穿效应，电流称为遂穿电流。
• 补充：对于经典物理学来说，当一个
粒子的动能低于前方势垒的高度时， 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 象称为隧穿效应。
（2 ）隧穿电流的强度和针尖与表面的
距离相关，一般表面都凹凸不平，当 探针在计算机的控制下从物体表面扫 过时，隧穿电流的大小就会发生变化 ，电流的变化则携带有表面形貌的特 征。
• 实例：纳米电子学用量子器件代替微
电子器件，这样现有的硅质芯片将被 体积缩小数百倍的纳米管元件代替， 巨型计算机将能随手放进口袋；纳米 机器人可以随意进入我们身体的任何 地方，帮助清除垃圾和病灶；易碎的 陶瓷可以通过纳米化变成韧性的……
下图所示为利用扫描隧穿显微镜观 察的材料表面图片：图a为石墨表面的 碳原子排列图：图 b 为 IBM 公司的科学 家利用探针针尖端精确操纵原子而制 作的“量子围栏”的照片，他们把 48 个铁原子载到了铜表面，并观察到了 电子的波动图 ; 图 c 为扫描隧穿显微镜 观察到的血细胞照片；图 d为石墨烯的 表面照片。
• 三、STM的应用
扫描隧穿显微镜是目前研究材料表 面特征的最理想设备，它使人类第一 次能实时的观察单个原子在物质表面 的排列状态和表面电子行为相关的物 化性质，在材料科学、生命科学等领 域有着重要的研究意义和应用价值。
• （ 1 ） 应用扫描隧穿显微镜，不仅可
以在各种样品表面上进行直接刻写、 光刻以及诱导淀积和刻蚀等，它还可 以对吸附在表面的微观粒子（如金属 小颗粒、原子团及单个原子等）进行 操作。