扫描隧道显微镜的原理及应用演示文稿
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。
扫描隧道电子显微镜ppt课件
缺点
• 1、在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下，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。对铂超细 粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形 貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测 中则不会出现这种问题。 在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会 有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间 的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得 尤为重要。
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
STM的工作模式
•
尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下
述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的
机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子
系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方
式：恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流，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，扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面，显 微图象质量高，应用广泛。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍 ppt课件
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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。
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4.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。
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ppt课操件纵
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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。
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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扫描隧道显微镜的原理及应用 ppt课件
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
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，即保持针尖与样品表面 之间的局域高度不变，针尖随着样品表面 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。这种工作方式获 取图象信息全面，显微图象质量高，应用 广泛
扫描隧道显微镜的原理及应用
STM的应用优势: • STM具有极高的分辨率 • STM得到的是实时的、真实的样品表面的
高分辨率图象。 • STM的使用环境宽松。 • STM的应用领域是宽广的 • STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器
来讲是较低的。
STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：
１．“看见”了以前所看不到的东西
扫描隧道显微镜的原理及应用
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明
STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
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 3 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。
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，在屏幕上即显示出与样 品表面结构相关的信息。
扫描隧道显微镜成像原理
扫描隧道显微镜成像原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种使用近期发展起来的高分辨率显微技术。
它是由希刺宁和伯曼两位诺贝尔物理学奖得主于1981年共同发明的，其原理基于量子力学中的隧道效应。
隧道效应是指当具有波粒二象性的粒子（如电子）在两个不同能级之间存在势垒时，依然有一定概率穿过势垒进入另一侧的现象。
在STM中，将一个尖锐的导电探针（通常是铂铱合金）放置在样品表面上，探针与样品之间建立微小的电压差，形成微小的电流。
当调节电压差使得电流稳定，探针表面的电子会隧道穿过样品表面的势垒，产生微小的隧道电流。
针尖与样品之间的隧道电流与尖端与样品之间的距离密切相关。
当探针与样品之间的距离足够近时，隧道电流会非常敏感地变化。
通过使探针在样品表面进行细微的位置调整，可以测量针尖与样品之间的距离变化，进而得到样品表面的拓扑结构信息。
为了实现高分辨率成像，STM需要在真空环境下进行操作，以避免气体分子与探针的干扰。
探针和样品的表面都必须非常光洁，通常需要使用化学方法或者高温处理来净化。
此外，探针和样品表面的电导率也会影响扫描结果，因此需要选择合适的探针材料和样品。
STM广泛应用于凝聚态物理、表面科学以及纳米技术等领域。
它可以提供原子级别的表面形貌信息，帮助科研人员研究材料的表面性质、晶格结构和表面反应等。
同时，STM还可以通过通过在原子尺度上移动和操纵探针，进行纳米尺度的加工，开展纳米器件制备和操作。
它的发展对于材料科学和纳米技术领域的研究和应用具有重要意义。
在使用STM时，需要注意保持实验环境的稳定性，避免干扰因素的干扰。
此外，样品的准备和操纵也需要非常小心，避免对样品造成损害。
仪器的使用者需要具备一定的物理学和表面科学方面的知识，熟练掌握STM的操作方法。
总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现了高分辨率成像。
它在材料科学和纳米技术领域发挥着重要作用，为我们研究和理解原子尺度的世界提供了有力工具。
扫描隧道显微镜ppt
扫描隧道显微镜的工作模式
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恒高模式
在ห้องสมุดไป่ตู้模式下，针尖在固定的高度位置进行扫描 ，适用于表面高度变化较大的样品。
恒力模式
在此模式下，针尖根据表面形貌调整自身高度 ，以保持恒定的力，适用于表面高度变化较小 的样品。
交流模式
在此模式下，针尖与样品之间存在小幅度的振 动，以实现更精确的表面形貌扫描。
01
扫描隧道显微镜（STM）是一种基于量子力学隧道效应的测量技术，它能够直 接探测样品表面的原子结构，具有极高的分辨率和灵敏度。
02
STM技术自1981年被发明以来，已经广泛应用于物理、化学、生物学等各个领 域，成为研究物质表面结构和电子态的重要工具。
03
在过去的几十年中，STM技术不断发展和完善，不仅在实验上取得了许多重要 的成果，如原子操纵、单分子检测等，同时也促进了理论计算和模拟方法的发 展。
扫描隧道显微镜的应用范围
材料科学
用于研究材料表面的微观结构和物理性质，如表 面重构、吸附和脱附等。
生物学
用于研究生物分子和细胞膜的表面结构和功能， 如DNA和蛋白质的微观结构等。
环境科学
用于研究表面污染和环境变化对材料表面的影响 。
03
扫描隧道显微镜的优缺点
扫描隧道显微镜的优点
原子级分辨率
扫描隧道显微镜具有原子级的分辨 率，能够观察和解析材料表面的原 子结构。
分子构造研究
STM可以用于研究分子尺度的构造 和化学键信息，为理解分子性质提 供基础数据。
在生物领域的应用
细胞结构研究
STM可以用于观察细胞表面的结构、分子分布等，为生物医学 研究提供新的视角。
病毒构造研究
STM可以用于解析病毒的原子级别结构，为疫苗研发等提供关 键信息。
扫描隧道显微镜的原理及应用演示文稿
STM的工作方式
恒流模式
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，即保持针尖与样品表面 之间的局域高度不变，针尖随着样品表面 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。这种工作方式获 取图象信息全面，显微图象质量高，应用 广泛
恒高模式
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 s 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 STM显微图像。这种工作方式仅适用于 样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同 一种原子组成)的情形。
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研 • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体 的隧道效应来探测物体表面的想法. • 结果成功了!
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。
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用隧道效应实现原子尺度分辨率的显微镜。
其原理基于尖端和样品之间存在的隧道电流。
STM主要由扫描探头和表面的样品组成。
探头的尖端通常由
金属制成，尖端尺寸非常小，只有几个原子大小。
样品表面通常是导体，如金属或半导体。
当探头与样品非常接近时，尖端和样品表面之间会产生一个微小的隧道间隙。
由于量子力学的量子隧道效应，即使隧道间隙非常窄，也可以允许电子从尖端隧道到样品表面。
为了保持探头和样品间的恒定隧道电流，STM中的探头是以
非常小的步长在样品表面进行扫描。
在每个位置，测量和控制系统会调整探头高度，以保持隧道电流的恒定。
根据隧道电流的变化情况，可以得到样品表面的形貌信息。
当尖端在不同的位置上进行扫描时，可以得到一个二维图像，显示出样品表面的原子排列情况。
由于STM的原理基于隧道电流，因此只有在样品表面是导体
的情况下才能使用。
此外，由于隧道电流十分微弱，所以要求实验环境必须非常安静并且稳定。
总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现原子尺度的高分
辨率观测。
通过测量隧道电流的变化，可以得到样品表面的形貌信息，从而揭示出微观尺度下的材料特征。
扫描隧道显微镜的原理及应用
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2 磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) Magnetic Force Microscope
Electrostatic Force Microscope
• 由于AFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间 存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取抬起模 式，即得到了MFM和EFM。
光学显微镜
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电子显微镜
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光学显微镜和电子显微镜的缺陷
• 光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. • 电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低
速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微 镜很少能对表面结构有所揭示.
总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表 面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.
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恒高模式
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 s 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 STM显微图像。这种工作方式仅适用于 样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同 一种原子组成)的情形。
１．“看见”了以前所看不到的东西
STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的 电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原 子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验
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2．实现了单原子和单分子操纵
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单原子或单分子操纵方式：
1 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；
扫描隧道显微镜分析原理及方法
扫描隧道显微镜 (1981)
tip
10A
sample
A
tunneling current
A＝3
隧道电流 I
分辨率 = A + ) e2 d
(nm) 0.1 eff 0.05nm
原理：
1
I V b exp( A2 S)
STM仪器：
电子反馈系统控制隧 道电流
计算机控制针尖扫描 针尖将随样品表面起
HL-II 型扫描探针显微镜•长度定标功能
HL-II 型扫描探针显微镜
局限性与发展:局限
不能准确探测微粒间的某些沟槽 要求样品必须是导体、半导体
局限性与发展:发展
AFM (Atomic Force Microscope) LFM (Laser Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) BEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope) SICM (Scanning Ion-Conductance Microscope) STP (Scanning Tunneling Potentiometry) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)
计算机控制系统：硬件
计算机控制系统：软件
扫描
表面扫描 扫描隧道谱 功函数谱
定标
定标视图
图象处理
滤波 对比度拉伸 三维表面显示
纳米加工
HL-II 型扫描探针显微镜
扫描隧道显微镜的原理及应用
PSTM的原现和工作方式在许多方面和 STM相似。STM利用电子隧道效应，而 PSTM则是利用光子隧道效应。
课堂练习(2)
在纳米科技的发展史中,下列年份发生哪些重 大事件. 1959年;1974年;1982年;1984年
2 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； 3 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不 破坏它的化学键。
3．单分子化学反应已经成为现实
可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分 子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。 最近研究成果:
1 康奈尔大学Lee和Ho用STM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。 2 Park等人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的发明
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士 • 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明 STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一 篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体 的隧道效应来探测物体表面的想法. • 结果成功了!
3弹道电子发射显微镜（BEEM） Ballistic Electron Emission Miroscope
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恒高模式
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 s 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 STM显微图像。这种工作方式仅适用于 样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同 一种原子组成)的情形。
STM的工作方式
恒Hale Waihona Puke 模式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，即保持针尖与样品表面 之间的局域高度不变，针尖随着样品表面 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。这种工作方式获 取图象信息全面，显微图象质量高，应用 广泛
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明
STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体 的隧道效应来探测物体表面的想法. • 结果成功了!
• Gerd Bining ， Heinrich Rohrer和Ernst Ruska荣获 1986年的诺贝尔物理奖
速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微 镜很少能对表面结构有所揭示.
总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表 面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.
STM的发明
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士
STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的 电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原 子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验
2．实现了单原子和单分子操纵
单原子或单分子操纵方式：
1 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；
扫描隧道显微镜的原理及应用 演示文稿
扫描隧道显微镜的原理及应用
STM前的显微镜
• 光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观 察细胞.
• 电子显微镜(德国科学家Ernst Ruska和 Max Knoll发明),可以观察到比细胞更小的 病毒.
光学显微镜
电子显微镜
光学显微镜和电子显微镜的缺陷
• 光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. • 电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低
2 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；
3 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不 破坏它的化学键。
3．单分子化学反应已经成为现实
可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分 子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。
最近研究成果:
1 康奈尔大学Lee和Ho用STM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。
2 Park等人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。
4．在分子水平上构造分子器件
“从上到下”方法到“从下到上”方法的变化。
相关研究成果:
1 C60单分子开关
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，在屏幕上即显示出与样 品表面结构相关的信息。
STM的结构
利用STM针尖压迫C60单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的 结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来 的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力”开关。
2 负微分电导
中国科技大学的科学家利用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
一 STM工作原理
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。
隧道效应 根据量子力学原理，由于粒子存在 波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒 子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种 现象称为隧道效应。
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，
二 STM的应用
STM的应用优势: • STM具有极高的分辨率 • STM得到的是实时的、真实的样品表面的
高分辨率图象。 • STM的使用环境宽松。 • STM的应用领域是宽广的 • STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器
来讲是较低的。
STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：
１．“看见”了以前所看不到的东西
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 3 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。
电子云密度并不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，如图 2 所示。 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p 有关，其关系为 I∝Uexp[-A(ps)1/2] ，式中 A 为常量。如果s以0.1nm为单 位，p以 eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝ Uexp[-(ps)1/2] 。