扫描隧道显微镜STM
扫描隧道显微镜STM
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 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．
3) 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。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由 吸附体引起的表面重构等．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝， 如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电 性才可以产生隧道电流。
STM扫描隧道显微镜
STM的原理
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：
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I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压ห้องสมุดไป่ตู้平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。
STM的原理
图是STM的基本原理图， 其主要构成有：顶部直径 约为50—100nm的极细金属 针尖(通常是金属钨制的针 尖)，用于三维扫描的三个 相互垂直的压电陶瓷(Px， Py，Pz)，以及用于扫描和 电流反馈的控制器 (Controller)等。
STM的原理
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 (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。
谢谢观看
(a)
(b)
STM的工作环境
• 超高真空和室温条件
• 在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。
Φ为物质表面的平均功函数
S是针尖和样品之间距离
I是隧道电流
2.STM的工作模式
• 恒流模式 • x,y方向起着扫描作用，而
Z方向具有一套反馈系统， 初始的隧道电流为一恒定 值，当样品表面凸起时， 针尖就会后退，以保持隧 道电流的值不变；当样品 表面凹进时，反馈系统将 使针尖向前移动，计算机 记录了针尖上下移动的轨 迹，合成起来，就可给出 样品表面的三维行貌。
扫描隧道显微镜STM
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。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
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2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
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2.STM的原理
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 (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。
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溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
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图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
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
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(STM)
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(STM)PPT课件
Scanning Tunneling Microscope
一、简介 二、基本原理 三、STM的结构及关键技术 四、应用
1．表面形貌测量及分辨率 2．逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
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五、原子力显微镜（AFM）
1．特点 2．工作原理 3．结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举
如s↗ → I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长 → s↘。 VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
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△ XYZ位移器（样品位置细调〕 微小距离移动的精确控制
△ 样品粗调 使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离 (10- 100μm) 调整到100 Å 量级 － Louse 结构 － 精细螺旋机构
△ 防震系统分析 － 使由振动引起的隧道距离变化 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在 1－100Hz)
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四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有 一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与 R、 s 和 ko 有如下近似关系：
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。
3．扫描隧道谱(STS)
在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征峰
的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm 则有：F = kΔz
扫描隧道显微镜
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
i Ue A d A — 常量
— 样品表面平均势
垒高度（~ eV）
。 d ~ 1nm（ 10A ）
d 变 i 变，反映表面情况
d 变 ~ 0.1nm i 变几十倍，非常灵 敏。竖直分辨本领可达约10 2 nm
横向分辨本领与探针、样品材料及 绝缘物有关，在真空中可达 0. 2 nm。
技术关键：
1. 消震：多级弹簧，底部铜盘涡流阻尼。 2. 探针尖加工：电化学腐蚀，强电场去污，
针尖只有1~2个原子！ 3. 驱动和到位：利用压电效应的逆效应 —
电致伸缩，一步步扫描，扫描一步 0.04nm，扫描1(m)2 约0.7s。
4. 反馈：保持 i 不变 d 不变（不撞坏针尖）
显示器
1991年2月IBM的 “原子书法”小组又 创造出“分子绘画” 艺术 — “CO 小人”
图中每个白团是单个 CO分子竖在铂片表面 上的图象，上端为氧 原子 CO分子的间距： 0.5 nm “分子人”身 高：5 nm堪称世界上 最小的“小人图”
48个Fe原子形成“量子围栏”，围 栏中的电子形成驻波。 Fe原子间距： 0.95 nm，圆圈平均半径：7.13 nm
压电 控制
加电压 反馈传感器
隧道 电流
参考信号
扫描隧道显微镜示意图
中国科学院化学研究所研制的CST图象
用原子操纵写出的“100”和“中国”
1991年恩格勒等用STM在镍单晶表面逐个移动 氙原子，拼成了字母IBM，每个字母长5纳米
扫描隧道显微镜（STM）
（Scanning Tunneling Microscopy）
STM扫描隧道显微镜
STM扫描隧道显微镜几十年来,人类研制成功了许多用于表面结构分析的现代仪器.例如光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、电子探针、衍射仪、能谱仪等等。
这些物理技术在表面科学研究领域都起着重要的作用；但它们的物理原理不同，作用范围、精度、环境条件等都不尽相同。
也就是说，每一种技术对表面微观结构观察与分析都有它自己的特长与意义，但每一种技术都必然受着自身原理的条件限制，只能在一定的领域内开展工作。
例如光学显微镜受其分辩率的影响无法分辩出表面的原子；高分辩率的透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相和界面研究。
X射线的光电子能谱等只能提供空间平均电子的电子结构信息；有的技术只能获得间接结果，还需要用试差模型来拟合等等。
虽然人们早就知道物质是由分子和原子组成的，但这大多是通过实验间接验证的。
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer博士研制成世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）。
它的出现，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物理、化学性质。
而且在其测量过程中不会对样品形成任何损伤。
其惊人的原子分辩能力已被广泛地应用于材料科学、微电子科学、纳米加工技术等领域。
[实验原理]扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
见图1：图1当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，根据经典力学理论，粒子不可能穿过此势垒，即透射系数等于零。
但按照量子力学原理，粒子越过势垒区而出现在另一边的几率不为零，这个现象称为隧道效应。
实验中，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时（通常小于1nm）见图2:在外加电场作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
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 和平均功函数Φ有关： )21exp(S A b V I Φ−∝（1） b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数),21(21Φ+Φ⋅≈Φ1Φ和2Φ分别为针尖和样品表面的功函数。
扫描隧道电子显微镜
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
离线数据分析软件
主要特点
• 扫描隧道显微镜具有以下特点∶ • 1、高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为 l Å ， 纵向分辨率达0.1 Å. 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面 的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以 及由吸附体引起的表面重构等。 • 2、扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，绘出立体三维结构图像。并且可 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。 • 3、扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气、甚至溶液中探测物质的结构，它的优 点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的 固体标本，由于没有高能电子束， 对表面没有破坏作用(如辐射，热损伤等)，所以 能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究，样品不会受到损伤而 保持完好。 • 4、扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生 命过程的动力学研究。 • 5、不需任何透镜， 体积小，有人称之为“口袋显微镜”(pocket microscope)。 • 6、配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次 的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。
恒高度模式
• 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝 对高度不变；于是针尖与样品表面的局 域距离将发生变化，隧道电流 I 的大小也 随着发生变化；通过计算机记录隧道电 流的变化，并转换成图像信号显示出 来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微 图。这种工作方式仅适用于样品表面较 平坦、且组成成分单一。
什么是扫描隧道显微镜
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。
扫描隧道显微镜移动原子的原理
扫描隧道显微镜移动原子的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种高分辨率的显微镜，它能够移动单个原子。
其原理基于量子力学中的量子隧道效应，通过探针与样品之间的电子隧穿电流来实现对原子的探测和移动。
STM的工作原理可以简单地描述为：在STM中，探针（Tip）与样品之间施加一个微小的电压差，使探针上的电子从高电势端流向低电势端。
当探针与样品之间存在微小的间隙时，由于量子力学的隧道效应，电子可以穿越这个间隙，形成一个微弱的电流。
通过测量隧道电流的大小和变化，STM可以得到样品表面的拓扑和电子结构信息。
STM的探针需要足够尖锐，通常由金属制成。
在实验中，将探针靠近样品表面，并通过精确的控制系统使得探针与样品之间的距离保持在纳米尺度。
然后，施加一个微小的电压差，使得探针的电子从高电势端流向低电势端。
由于探针与样品之间的间隙非常小，不同原子之间存在微小的电子隧道，从而形成了隧道电流。
隧道电流的大小和变化与探针与样品之间的距离以及样品表面的拓扑和电子结构密切相关。
当探针与样品之间的距离变化时，隧道电流的大小也会相应改变。
通过控制探针的运动，可以实现对样品表面的扫描，并获得其拓扑特征。
此外，由于隧道电流还受到样品表面电子态的影响，通过测量隧道电流的变化，可以获取样品表面的电子结构信息。
在STM中，控制系统起着关键的作用。
通过控制系统，可以实现对探针的精确定位和移动。
控制系统会根据隧道电流的大小和变化来调整探针与样品之间的距离，以保持隧道电流的恒定。
同时，控制系统还可以根据隧道电流的变化来调整探针的位置，实现对样品表面的扫描。
通过STM，科学家们可以实现对原子的探测和移动。
在实验中，可以利用探针与样品之间的电子隧道效应，将探针移动到目标原子的位置，并将其移动到其他位置。
这种原子级别的控制和操作，为研究材料的表面性质和微观结构提供了有力工具。
扫描隧道显微镜通过探针与样品之间的电子隧道效应，实现了对原子的探测和移动。
扫描隧道显微镜的原理
扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的仪器，它可以在原子尺度上观察和操作物质表面的原子结构。
STM的原理是基于电荷隧穿效应，通过在探针和样品之间施加一定的电压，使电子以概率的形式从探针隧穿到样品表面，从而获得样品表面的拓扑形貌和电子结构信息。
在STM中，探针是一个锐利的金属尖端，通常由钨或铂铱制成。
这个探针被放置在与样品表面非常接近的位置上，通常只有几个纳米的距离。
当施加一定的直流电压时，由于量子隧穿效应的存在，电子可以从探针的表面隧穿到样品表面。
这个电流被称为隧穿电流，它与探针和样品之间的距离、样品表面的形貌和电子结构密切相关。
为了保持探针和样品之间的距离保持稳定，STM采用了一个反馈回路系统。
它通过测量隧穿电流的变化来调整探针和样品之间的距离，以保持隧穿电流的恒定。
这种反馈机制可以使STM实现高分辨率的成像，并且可以在原子尺度上进行操控。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以获得样品表面的拓扑图像。
由于电子的隧穿概率与距离的关系是指数衰减的，因此隧穿电流的大小和样品表面的高度之间存在着非常敏感的关系。
当探针在样品表面扫描时，隧穿电流的变化被记录并转换为图像，从而得到样品表面的形貌信息。
除了表面拓扑图像，STM还可以提供样品表面的电子结构信息。
在STM中，探针和样品之间的电流不仅取决于距离，还取决于样品表面的电子状态密度。
通过测量隧穿电流的能谱分布，可以获得样品表面的电子能级结构和局部密度状态。
这使得STM成为研究表面物理和表面化学现象的强大工具。
扫描隧道显微镜的发展使得科学家们能够在原子尺度上观察和操作物质，为凝聚态物理、表面科学和纳米科技的发展提供了重要的工具。
它不仅可以帮助我们更好地理解物质的基本性质，还可以在纳米材料的制备和纳米器件的研发中发挥重要作用。
随着技术的不断进步，STM的分辨率和功能得到了进一步提高，使得更多的物理和化学现象可以在原子尺度上得到研究和探索。
扫描隧道显微镜的组成
扫描隧道显微镜的组成
扫描隧道显微镜（STM）的组成主要包括以下部分：
1.针尖：这是STM最关键的部件之一，它由非常细的单晶金属丝（通常为钨或铂）制成，其尖端的曲率半径通常在几个埃（Angstroms）的范围内。
针尖的制备是STM制造中的一项关键技术，通常需要经过多道精密的加工和清洗步骤才能获得高质量的针尖。
2.扫描器：它由一组精密控制的马达和反馈系统组成，用于驱动针尖在样品表面进行精确的扫描。
扫描器通常包括X、Y和Z方向的控制器，以实现三维空间的扫描。
3.电子系统：STM的电子系统负责控制和调节隧道电流，以及处理和显示从STM获得的信号。
电子系统通常包括电源、信号发生器、放大器、控制器和显示器等部分。
4.样品台：样品台是放置样品的平台，它能够实现精确的移动和定位。
在实验过程中，样品台负责固定样品并对其进行扫描。
5.环境控制系统：为了保证STM的正常运行和延长其使用寿命，通常需要维持一定的环境条件，如温度、湿度和清洁度等。
环境控制系统负责监测和控制这些条件，以确保STM的正常运行。
总的来说，扫描隧道显微镜通过高精度的控制技术实现纳米级的观察能力，已经成为表面科学、凝聚态物理、纳米技术等领域中非常重要的研究工具。
扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术
1985年
STM被授予诺贝尔物理学奖。
2000年
单原子操纵技术取得突破。
STM技术的应用领域
01
02
03
04
材料科学
研究表面结构、化学组成、电 子态等。
物理
研究表面物理现象，如表面量 子现象、表面相变等。
纳米科技
制造和操纵纳米结构，如纳米 电路、量子点等。
05 结论
STM和单原子操纵技术的重要性和意义
揭示物质表面结构和性质
STM通过测量隧道电流能够精确地探测物质表面的原子结构，而单原子操纵技术则能够实现对单个原子的精确操控， 这对于深入理解物质表面结构和性质具有重要意义。
促进纳米科技和材料科学的发展
STM和单原子操纵技术为纳米科技和材料科学领域的研究提供了强有力的工具，有助于推动相关领域的技术创新和 进步。
生物医学
研究生物分子结构和功能，如 蛋白质、DNA等。
02 STM的组成和工作原理
STM的组成
针尖
通常由钨或铂-铱合金制成，针尖的形状和 尺寸对STM的分辨率和成像质量至关重要。
扫描隧道显微镜主体
包括扫描隧道显微镜的控制器、扫描隧道显微镜的 信号处理系统、扫描隧道显微镜的电源系统等。
计算机系统
用于控制STM的扫描、采集和显示图像。
扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵 技术
contents
目录
• STM技术概述 • STM的组成和工作原理 • 单原子操纵技术 • STM在单原子操纵中的应用 • 结论
01 STM技术概述
STM技术的原理
隧道效应
当两个导电物体非常接近时，一 个带电粒子的隧道效应可以穿过 它们之间的势垒，从一导电体流 向另一导电体。
扫描隧道显微镜(CSTM)
1.概述
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和Heinrich Rohrer博士及其同事们， 共同研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫 描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope， 以下简称STM ) 。它的出现，使人类第一次能够原 地观察物质表面单个原子的排列状态和与表面电子 行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公 认为是80年代世界十大科技成就之一。
1. 2隧道电流 两种金属(即电极)靠得很近(通常小 于lnm)时，两种金属的电子云将互相 渗透，当加上适当的电位时，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 就称为隧道电流。
2. 2
STM工作原理
STM的工作原理是利用量子理论中 的隧道效应，将原子线度的极细探针和 被研究的物质表面作为两个电极。当样 品与针尖的距离非常接近时(通常小于 1nm)，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。
3. 3计算机控制单元 计算机控制单元的任务主要是仪器控 制、数据采集、存储和图像显示与处理等。
4、实验方法
4. 1 STM的操作 4. 2 STM针尖的制备 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成 型法等。 4. 2.1 钨针尖的制备 钨针尖的电化学腐蚀方法通常涉及金属电极的阳极 溶解。有两种方法可以进行这一阳极溶解过程，依据 所加的电势而分成交流(AC)或直流(DC)腐蚀，这两种 方法产生的针尖形状是不同的。AC针尖呈圆锥体形状， 锥度角比DC方法制成的针尖大，DC方法制成的针尖 呈双曲线体形状，针尖比用AC法制成的更尖锐，更适 用于STM的高分辨成像。
1 扫描隧道显微镜(STM)
1 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。
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时（通常小于1nm），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。
这种现象即是隧道效应。
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 和平均功函数Φ 有关：V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，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。
扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。
由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S 减小0.1nm，隧道电流I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏，见图1(a)。
将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。
对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。
这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。
（a）（b）从式可知，在V b和I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V z的变化。
如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。
扫描隧道显微镜
例如， 例如 ， 当一个金属针尖 和一个导电样品很接近时 (相距约 相距约lnm)，尽管两者间 相距约 ， 仍是一很薄的绝缘层， 仍是一很薄的绝缘层 ， 有 较高的势垒， 但两者波函 较高的势垒 ， 数已有一定程度的交叠。 数已有一定程度的交叠。 把针尖和样品作为两个 电极， 加上微小的电压， 电极 ， 加上微小的电压 ， 电子即可穿过其间的势垒 产生所谓隧道电流。 产生所谓隧道电流。
1、STM特点 、 特点
STM具有的特点： 具有的特点： 具有的特点 (1)具有原子级的分辨率，横向和纵向分辨率分 具有原子级的分辨率， 具有原子级的分辨率 别可达到0.1nm和0.01nm，可分辨单个原子。 别可达到 和 ，可分辨单个原子。 (2)可实时地直接得到实空间中的表面三维图像， 可实时地直接得到实空间中的表面三维图像， 可实时地直接得到实空间中的表面三维图像 可研究具周期性或不具周期性的表面结构， 可研究具周期性或不具周期性的表面结构，配合 隧道谱(STS)和功函数 ， 可以得到表面电子结构 和功函数， 隧道谱 和功函数 的信息，甚至可直接观察到表面单个的键。 的信息，甚至可直接观察到表面单个的键。
扫描隧道显微镜(STM) 扫描隧道显微镜
姜传海
上海交通大学材料科学与工程学院 上海交通大学材料科学与工程学院
一、概述
1、STM特点 、 特点 2、基本原理 、
二、STM仪器 仪器
1、隔绝振动 、 2、机械设计 、 3、负反馈电路 、 4、样品制备 、
三、应用举例
一、概述
材料的表面和界面结构与材料的许多性能有 重要关系， 重要关系，研究表面结构对改进材料的性能和 开发研制新材料有很大意义。 开发研制新材料有很大意义。 但是， 但是，表面结构特别是原子水平上的表面结 构信息是很难获得的。 构信息是很难获得的。
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STM的工作环境
溶液条件
化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化 学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分 子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。
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。
5.STM的应用
STM的工作模式
恒高模式 x,y方向仍起着扫描的 作用，而Z方向则保持 水平高度不变，由于隧 道电流随距离有着明显 的变化，只要记录电流 变化的曲线，就可以给 出高度的变化
3.STM的工作环境
大气和室温条件
在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和 MS2(二硫化钼) 3nm×3nm表面的原子图像。对于在大气中容易被氧化 的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原 子结构图像，而超高真空的环境是必要的。
(a)
(b)
STM的工作环境
超高真空和室温条件
在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。 图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。 其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流 为0.6nA。
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。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO 分子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。 一个更为直观的例子是由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。
STM的工作环境
超高真空和低温条件
温度对于材料表面上原子和分子的稳 定性是一个非常重要的条件。例如， 在室温时，金属材料表面上的金属原 子大多不稳定，而吸附在样品表面上 的C60分子更是始终在旋转着，无法 稳定。同时，材料的电子特性研究在 很多情况下也要求低温的条件。 低温时，样品的原子表面结构可以保 持非常稳定的状态。图是一组低STM 的系列图片。实验时，样品被液氯冷 却到约15OK的温度，每隔45分钟扫 描一幅图片。从图中可以发现，样品 的原子表面结构十分稳定，从右到左 的热飘移仅为每小时一个原子左右 (0.3nm左右)。
STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
STM的原理
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 (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。
5.STM的应用
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”，然后再把粘有C60分子的针尖 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。
STM的工作环境
超高真空和高温条件
STM可以在高温的条件下工作，这 对于观察半导体和金属等材料表面 的高温相变是非常重要的。高温工 作的STM必须具备十分良好的温度 补偿功能，否则，样品表面的温度 漂移将使我们无法看到相同区域的 原子表面结构。 图是在860OC时用STM实时地观察 S(111)表面上形成7x7结构的重构过 程。从图中可以看到，大部分7x7结 构已经形成，但是在图的右上角区 域尚未完成表面原子的重构。
2.STM的工作模式
恒流模式 x,y方向起着扫描作用，而Z 方向具有一套反馈系统，初 始的隧道电流为一恒定值， 当样品表面凸起时，针尖就 会后退，以保持隧道电流的 值不变；当样品表面凹进时， 反馈系统将使针尖向前移动， 计算机记录了针尖上下移动 的轨迹，合成起来，就可给 出样品表面的三维行貌图。
C59N单分子整流器
在我们的实验中，将 Pt-Ir合金材料的 STM针尖放置在位于自组装硫醇膜上 的单个 C59N分子上方，这样就构成了 一个双势垒隧道结（DBTJ）系统。 在这个系统中，针尖和C59N分子之间 的真空结是第一个隧道结。硫醇膜就作 为金衬底与 C59N分子之间的绝缘势垒 而存在，这是另一个隧道结。在满足某 些条件的情况下，DBTJ系统的电流电 压曲线会表现出典型的库仑阻塞和库仑 台阶行为。所有的曲线相对于电压零 点都具有显著的不对称性，表现为整流 效应。
C59N单分子整流器
通过将单个 C59N分子置于双势垒隧道结中，从而利用单电子隧 穿效应和 C59N分子的特殊能级结构，实现了一种新型的单分子 整流器件。 实验中这个整流器件的正向导通电压约为 0.5v-0.7v，反向击穿 电压约为 1.6v-1.8v。理论分析表明，中性 C59N分子的半占据 费米能级以及在不同充电情况下费米能级的不对称移动是形成整 流效应的主要原因。其构成原理也决定了该器件具有稳定、易重 复的特点。
C59N单分子整流器
右图为STM图像：扫描隧道显微镜 实验在 0.01torr的真空度下进行。 从 图像上，我们可以观察到衬底上 的 C59N分子表现为比较圆的亮点, 图中也可见清晰的自组装硫醇膜的 晶格。 沿着 AB线的 图像截面表明 C59N分子在硫醇膜表面是一个宽约 2nm 的一个突起，高度约 为0.8nm。 作为对照，我们测量了硫醇膜表面 吸附的 C60分子，发现其截面 曲线与 C59N是非常相似的, 表明 C59N分子确实以单体形式存在于表 面。
扫描隧道显微镜
1.STM的原理
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STM的原理
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Vo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。
（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝 等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）
STM的原理
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：
1 I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。 Φ为物质表面的平均功函数 S是针尖和样品之间距离 I是隧道电流
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
STM的工作环境
溶液条件
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
C59N单分子整流器
通过将一个单一的 C59N分子放置在双势垒隧道结中间，由单电 子效应及C59N分子特殊的能级结构效应共同实现整流效应，构 成了一个稳定的可重复的单分子整流器。 通常状况下 C59N分子以二聚体形式即（C59N)2存在，在蒸发过 程中，二聚体被破坏，C59N单分子得以沉积到衬底上。 实验中 采用的衬底为金膜表面自组装的高质量单层硫醇膜通过电子束热 蒸发将单分子层的 C59N分子沉积到硫醇膜表面，然后样品很快 被传送到处于5K温度的样品台上，低温导致 C59N 分子被冻结 在吸附位置，不能再次聚合成二聚体。
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 面结构的原子、分子状态清晰可见。