扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进
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。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜实验报告物理072 陈焕 07180217摘要：本文介绍了扫描隧道显微镜的结构，基本原理，工作模式，进行扫描隧道显微镜实验的实验过程，以及对实验结果的分析。
关键字：扫描隧道显微镜 基本原理 实验过程 结果分析引言：扫描隧道显微镜的英文缩写是ＳＴＭ。
这是２０世纪８０年代初期出现的一种新型表面分析工具。
由德国人宾宁(G.Binnig,1947-)和瑞士人罗勒(H.Roher,1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。
宾宁和罗勒因此获得1986年诺贝尔奖。
1988年，IBM 科学家从由扫描隧道显微镜激发的纳米尺度的局部区域观测到了光子发射，从而使发光及荧光等现象能够在纳米尺度上进行研究。
1989年，IBM 院士（IBM Fellow ）Don Eigler 成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I -B-M”3个字母。
一、扫描隧道显微镜的重要组成（1）隧道针尖：它是整个显微镜极为关键的一部分，针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响扫描隧道显微镜的分辨率和图像的形状，而且也影响着测定的电子态。
实验前需要制备针尖。
（2）三维扫描控制器：是由压电陶瓷材料制成。
原因是扫描隧道显微镜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的。
压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V 的电压信号转化为十几分之一纳米到几微米的位移。
（3）减震系统：由于针尖工作时针尖与样品的间距一般小于1nm ，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。
所以减震系统是必需的。
（4）电子学控制系统：扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此电子学控制系统是十分重要的。
使用计算机控制步进电机的驱动，使针尖逼近样品，不断采集隧道电流。
二、电子学控制系统的基本原理电子学控制系统的基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告引言：扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种重要的纳米尺度观测仪器，它通过利用量子隧穿效应来实现对表面原子的成像。
本实验旨在通过使用STM来观察和研究不同样品表面的原子结构和性质，以及探索STM在纳米科学和纳米技术领域的应用前景。
实验方法：1. 样品制备：选择不同材料的样品，如金属、半导体或绝缘体，并进行表面处理，如抛光或清洗，以确保表面平整和干净。
2. STM装置设置：将STM装置连接至计算机，并进行相关设置，如校准扫描范围和调整扫描速度等参数。
3. 样品安装：将样品固定在样品台上，并确保其与STM探针的接触良好。
4. 扫描图像获取：通过控制STM探针的运动，以及调整扫描电压和电流等参数，获取样品表面的原子级分辨率图像。
5. 数据分析：利用专业的STM图像处理软件对所获得的图像进行分析和处理，以提取样品表面的结构和性质信息。
实验结果与讨论：通过对不同样品进行STM观察，我们可以得到高分辨率的原子图像。
以金属样品为例，我们观察到了其表面的原子排列规律，如金属晶体的晶格结构。
通过测量原子之间的间距，我们可以获得样品的晶格常数，并进一步研究其晶体结构和晶体缺陷等特性。
在半导体样品的观察中，我们可以发现其表面的原子排列存在一定的有序性，但与金属样品相比，半导体样品的表面结构更为复杂。
通过对半导体晶体表面的原子分布进行分析，我们可以了解其晶体生长过程中的缺陷形成机制，并为半导体器件的制备和性能优化提供重要参考。
此外，我们还观察到了绝缘体样品的表面结构。
与金属和半导体样品不同，绝缘体样品的表面原子排列更为松散和无序。
通过对绝缘体样品表面的原子间隙进行测量，我们可以得到绝缘体材料的晶格参数和晶体结构信息，为其性质研究和应用提供基础。
扫描隧道显微镜不仅可以提供原子级分辨率的表面图像，还可以通过在不同扫描位置测量电流变化来研究样品的电子态密度分布。
扫描隧道显微镜实验报告
近代物理实验报告扫描隧道显微镜学院数理与信息工程学院班级姓名学号时间摘要：本实验我们将从了解扫描隧道显微镜原理出发，熟悉各部件的工作原理和功用，掌握描隧道显微镜的操作和调试过程，通过对隧道效应和样品表面的形貌观测初步体会描隧道显微镜在微观观测和操作领域的重要作用，学会用计算机软件处理原始图象数据。
关键词：工作原理工作模式仪器构成操作方法0 引言：社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。
以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。
这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出的世界上第一台扫描隧道显微镜（简称STM）已达纳米级别。
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，因此荣获了学界最高荣誉诺贝尔奖。
在扫描隧道显微镜的基础上又衍生出多种观测仪器，继承了其在微观测量领域的显著优势，逐步改进其缺陷。
2002年，曾在浙江大学举办的暑期物理竞赛夏令营中初步领略扫描隧道显微镜的风采，我认为了解和掌握扫描隧道显微镜的原理和操作对了解当代科技和先进技术有很大的帮助。
1工作原理扫描隧道显微镜的工作原理是电子的隧道贯穿，也就是量子力学中的隧道效应。
电子云占据在样品和探针尖之间。
电子云是电子位置具有不确定性的结果，这是其波动性质决定的。
导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。
这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。
探针在表面上扫描时，有一套反馈装置去感受到这一电子流（叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上（图1）或者使得电子流保持在一定数值下。
扫描隧道显微镜(STM)的原理和应用
扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用【摘要】：本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。
关键词：扫描隧道显微镜隧道效应石墨晶体一、实验引言：随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。
为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。
两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。
STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；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、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
二、实验原理：1、量子隧道效应在量子力学里，如果势能不是无限大，则在）（r V >E 的区域,薛定谔方程的解不一定为零，即一个入射粒子穿透一个）（r V >E 的有限区域的几率是非零的，这就是隧道效应。
利用图1可以说明隧道效应的物理意义，设图1（上）中为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，如图1(下)所示，则势垒穿透厚度为z 的势垒去的几率P 可用下式表示：P （z ）k x 2-e ∝，其中k=）（E -0m 21ϕ（1）图1（上）高度为的矩阵势垒 图1（下）典型的矩形势垒的遂穿几率P （z ）隧道效应，就是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层，当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子在E ＜V 的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V 而达到另一侧的物理现象。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告篇一：近代物理实验-扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告摘要：本实验我们将从了解扫描隧道显微镜原理出发，熟悉各部件的工作原理和功用，掌握描隧道显微镜的操作和调试过程，通过对隧道效应和样品表面的形貌观测初步体会描隧道显微镜在微观观测和操作领域的重要作用，学会用计算机软件处理原始图象数据。
关键词：扫描隧道显微镜、隧道针尖、工作原理工作模式仪器构成引言：社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。
以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。
这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出的世界上第一台扫描隧道显微镜（简称STM）已达纳米级别。
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，因此荣获了学界最高荣誉诺贝尔奖。
在扫描隧道显微镜的基础上又衍生出多种观测仪器，继承了其在微观测量领域的显著优势，逐步改进其缺陷。
正文：1 工作原理扫描隧道显微镜的工作原理是电子的隧道贯穿，也就是量子力学中的隧道效应。
电子云占据在样品和探针尖之间。
电子云是电子位置具有不确定性的结果，这是其波动性质决定的。
导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。
这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。
探针在表面上扫描时，有一套反馈装置去感受到这一电子流（叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上（图1）或者使得电子流保持在一定数值下。
探针尖即可以以这两种方式描过表面的轮廓。
读出的针尖运动情况经计算机处理后，或在银幕上显示出来，或由绘图机表示出来。
扫描隧道显微镜实验报告
近代物理实验报告扫描隧道显微镜班级物理081学号********姓名周和建时间2011年4月20日【摘要】扫描隧道显微镜是利用量子力学中的隧道贯穿原理，根据物质表面出现电子的几率随着离开表面距离的变化符合负指数的变化，显微镜探测针头将从物质表面搜集到的散逸出来的电子产生的电流信号用以描述物质表面情况，以此达到观察物质微观结构的目的。
【关键词】扫描隧道，针尖，隧道电流【引言】原子是生化层面上物质组成的最小单位。
在人类认识世界的进程中，人们发现了各种元素的特性以及不同元素之间的规律，物质组成的规律，物质转化的规律等等，并继续不断研究以逐步完善着这个知识体系。
此类研究曾一度陷入瓶颈，问题的关键在于科研仪器的限制，就像多年以前，人们只能猜测原子的结构，并产生了多种说法。
随着科学技术的发展，如今，人们已经可以清楚的观察原子的外貌，甚至可以凭意志去操控单个原子。
这对于人类改造自然的事业来说是一种质的跨越。
而这一切主要归功于显微技术的发展。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling 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。
为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。
与其它表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点：具有原子级高分辨率，可以分辨出单个原子。
可实时再现样品表面的三维图像，可以观察单个原子层的局部表面结构，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。
可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其它溶液中。
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
扫描隧道显微镜的基本原理及应用
扫描隧道显微镜的基本原理及应用扫描隧道显微镜是一种先进的分析测试工具，其基本原理和应用领域一直备受关注。
随着科学技术的进步，人们对于各种物质的研究深入深入，需要更加精确、高效的分析工具来满足科学家的需要。
本文将从扫描隧道显微镜的基本原理、应用领域和发展前景进行探讨。
扫描隧道显微镜的基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学中的量子隧穿效应，将金属探针置于样品表面的原子层级，使得电连接在样品表面与探针之间通过量子隧穿现象得以建立，探头记录样品表面电流变化可据此反映出样品的表面几何形态及电子性质等。
它采用非接触方式，在样品表面测得原子尺度及次原子尺度以下的拓扑信息。
扫描隧道显微镜通过三个部分实现基本原理，一是样品，二是扫描器，三是探针。
样品显微镜需要按照一定的形状，制成薄片或压制成球状，以便于扫描器可以准确地读取样品表面的状态，探针是非常重要的组成部分，它通过隧道电流作用于样品表面，使得显示器显示出三维图像。
由于探针容易损坏或磨损，因此样品与探针之间的距离必须稳定维持在纳米尺度。
通常来说，扫描隧道显微镜的工作原理可以分成三个步骤，首先是探针和样品之间靠近并接触，随后是扫描器进行扫描，最后是记录并处理数据以得到样品表面的高度图和顶部化学活性特征等。
扫描隧道显微镜的应用领域扫描隧道显微镜在材料科学、化学、生物学、地质学等领域中具有广泛的应用，能够实现样品的原位观察、加工及表征。
首先，扫描隧道显微镜在材料科学中的应用非常丰富，可以利用扫描隧穿技术观察原子、分子、表面结构的形貌和特征，对材料的微观和纳米尺度特征进行精准的表征，并能够对金属材料、生物材料和纳米材料等进行研究和分析。
其次，在化学领域中，扫描隧道显微镜常常用于分子构象的研究，可以对单分子进行化学、物理性质的表征，对化学反应的研究和分析也有较大的帮助。
此外，在生物领域中，扫描隧道显微镜被广泛应用于生物分子结构、生物膜、单活细胞、生命进程等方面的研究，是生物技术发展的关键工具。
扫描隧道显微镜及其发展现状
扫描隧道显微镜及其发展现状曹文峰2012110024(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)摘要:扫描隧道显微镜(ＳＴＭ)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阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。
此文介绍了扫描隧道显微镜的理论原理与系统结构,以及近年来这一前沿科技领域的部分进展和应用前景。
关键词：扫描隧道显微镜;隧道效应;纳米技术Abstract:The study of scanning tunneling microscopy (STM) has quite important significance and broad prospects in fields such as surface science , material science and life science . STM has now been considered as one of the world's top ten technology achievements in the 80s by the international scientific community . Firstly this article introduces the principle theory and system structure of the STM . Finally the application and further development prospects for the past years are given.Key words：Scanning tunneling microscopy ; Tunneling effect ; Nanotechnology0 引言扫描隧道显微镜（STM）是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。
[论文]扫描隧道显微镜
![[论文]扫描隧道显微镜](https://img.taocdn.com/s3/m/177146bbdc3383c4bb4cf7ec4afe04a1b071b078.png)
扫描隧道显微镜姓名：马锦锦学号：112133 专业：农产品加工与贮藏摘要:本文较为详细地介绍了扫描隧道显微镜( Scann ingTunne lingM icroscopy, STM )的基本结构、工作原理及模式，并阐述了STM 在表面结构的观测、表面化学反应、表面微细加工、单原子操作、诱导发光等领域的应用。
最后还简单介绍了STM的研究进展。
关键字:扫描隧道显微镜；结构；原理；应用；进展1引言扫描隧道显微镜( Scanning TunnelingMicroscope, 简称STM ) 是由IBM 苏黎士研究中心的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 于1982 年发明的，它是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜。
STM使人类能够在实空间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理、化学性质[9]。
它的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空状态下工作，对样品表面也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶、纳米相样品；其工作温度可以从4.2K到1000K，特别是STM 可以与其他实验设备结合, 使其应用更加灵活、有效[13]，在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域都获得了广泛的应用，被公认为20 世纪80 年代十大科技成就之一。
STM是继高分辨透射电子显微镜场、离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步[12]，人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，在原子和分子水平，根据人们的意愿设计、修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。
2STM的基本结构一般说来扫描隧道显微镜主要由三个大部分组成：隧道显微镜的主体（主要是探针针尖）、控制电路、计算机控制( 测量软件及数据处理软件)[1]。
讲义实验四：扫描探针显微镜(扫描隧道显微镜)
可以产生隧道电流。
2．压电效应与压电扫描管
所谓压电效应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。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前
广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称 PZT)和钛酸钡等。当在压
电陶瓷加上对称电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，也就是说，可以通过改变电
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。经 计算，透射系数 T 为：
( ) T ≈ 16E V0 − E
− 2a
eh
2m(V0 −E )
V0
（4-1）
由式(1-1)可见，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。
再次，SPM 的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须 安放在高真空条件下才能进行测试。而 SPM 既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、 常温、高温，甚至在溶液中使用。因此 SPM 适用于各种工作环境下的科学实验。
SPM 的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、 微电子等应用学科都有它的用武之地。利用 STM 针尖，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基础。SPM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较
会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向
弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在 x-y 方向的相互垂直移
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；
扫描隧道显微镜提高子废止路闸电导
扫描隧道显微镜提高子废止路闸电导随着现代科技的不断发展，交通路闸也逐渐成为城市交通管理中不可或缺的一部分。
子废止路闸作为一种常见的路闸类型，其电导性能一直是人们关注的焦点问题。
为了提高子废止路闸的电导性能，扫描隧道显微镜成为了一个有望实现这一目标的有效工具。
扫描隧道显微镜是一种利用电子束对样品进行高分辨率成像的仪器。
其工作原理是将电子束从紧密排列的一系列电子透镜传送到样品上，并收集反射、散射或透射的信号来形成图像。
由于扫描隧道显微镜具有高分辨率和灵敏度，可以在原子和分子尺度上观察样品表面的形貌和结构，因此被广泛应用于材料科学、生物学等领域。
扫描隧道显微镜可以通过观察子废止路闸材料的表面形貌和结构来提高其电导性能。
首先，通过扫描隧道显微镜可以观察到材料表面的缺陷和结构特征，比如晶体缺陷、晶粒尺寸和形状等。
这些信息可以帮助我们了解材料的导电性能，并进一步优化材料的结构，提高其电导性能。
其次，扫描隧道显微镜还可以用于表征子废止路闸材料的电子能带结构。
电子能带结构是描述材料电子态密度和导电性质的重要指标，通过观察材料的电子能带结构，可以了解材料的导电机制和电子输运性质，从而指导材料性能的改善和优化。
除了表征材料表面形貌和电子能带结构外，扫描隧道显微镜还可以用于研究材料界面和表面吸附现象。
子废止路闸作为一种与外界环境接触较多的材料，其表面的吸附现象对其电导性能有着重要影响。
通过扫描隧道显微镜，我们可以观察到材料表面的吸附现象，并研究其对电导性能的影响，从而提供改善子废止路闸电导性能的策略。
除了以上的应用，扫描隧道显微镜还可以用于研究子废止路闸材料的力学性能、磁性能等方面的特性。
通过对子废止路闸材料的多个方面进行综合研究，可以全面了解材料的性能，为优化设计和改进子废止路闸提供更为准确的参考。
综上所述，扫描隧道显微镜作为一种先进的仪器和工具，可以在多个方面帮助提高子废止路闸的电导性能。
通过观察材料表面形貌和电子能带结构，研究界面和吸附现象，以及研究材料的力学性能和磁性能等方面，扫描隧道显微镜为优化子废止路闸的设计和改进提供了重要的指导和依据。
新型扫描隧道显微镜的设计与应用
新型扫描隧道显微镜的设计与应用扫描隧道显微镜（STM）是一种能够在原子尺度下观察表面的实验方法。
它的分辨力比光学显微镜高出几个数量级，可以观察到化学反应、分子结构等物质性质，对于物理、化学、材料等学科的研究有重要作用。
然而，旧型扫描隧道显微镜在逐渐流行的同时，也受到了许多限制，如灵敏度、稳定性等问题。
为了解决这些问题，人们开始研究新型扫描隧道显微镜，并在设计和应用方面进行了改进和优化。
一、新型扫描隧道显微镜的设计新型扫描隧道显微镜的设计在灵敏度、稳定性、可操作性等方面进行了改进。
例如，光纤悬浮式扫描隧道显微镜（F-SSTM）采用了光纤悬浮技术，在保证空气静电场下高灵敏度的同时，能够减少机械振动的影响。
F-SSTM通过采用特殊的稳定性补偿算法，可以受控制地调整和保持扫描隧道显微镜的稳定性。
此外，它还可以应用于大气压下的原子分辨率成像。
多参数反馈控制扫描隧道显微镜（MFM-STM）通过引入多参数反馈控制技术，实现了扫描隧道显微镜在稳定性和空气阻尼方面的改进。
它将高级控制器引入到STM中，实现了智能化控制、自适应调节、自动跟踪等先进功能。
它还可以通过对扫描隧道显微镜的参数进行多参数的优化，使其有更好的灵敏度和稳定性。
这种方法可应用于不同样品的表面形貌、偏压电流等多个参数的量测。
二、新型扫描隧道显微镜的应用新型扫描隧道显微镜在物理、化学、材料等领域都有着广泛的应用。
例如，处理TFL/PTFE复合材料表面，研究电子淀积、电化学反应、催化和液晶、生物分子等性质，都需要用到新型扫描隧道显微镜。
在材料科学领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于材料表面形貌、电子结构、晶格、磁性等的研究。
例如，采用STM技术可以观察出溶剂分子对无定形勘探化合物膜结构的影响。
此外，在电子材料科学中，扫描隧道显微镜可以用于表征二维材料和异质结构，并且可以提供准确的电学测量。
在生物领域中，新型扫描隧道显微镜也有着广泛的应用。
扫描隧道显微镜可以用来研究生物大分子、蛋白质和DNA的结构、制备、生长过程、化学反应等。
扫描电子显微镜的改进及其应用
扫描电子显微镜的改进及其应用摘要概括了扫描电子显微镜的成像原理、分类以及应用，以期为人们对扫描电子显微镜的使用提供指导。
关键词扫描电子显微镜；原理；应用电子显微镜（简称电镜，EM）是现代科学研究中不可缺少的重要工具。
电子显微镜主要有透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM）和扫描电子显微镜（简称扫描电镜，SEM）两大类。
扫描透射电子显微镜（简称扫描透射电镜，STEM）兼有两者的性能。
为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如：超高压（1mV）和中等电压（200～500kV）透射电镜、低电压（<1kV）扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如：场发射枪电镜；有以用途区分的，如：高分辨电镜、分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、原位电镜、测长CD-扫描电镜；有以激发的信息命名的，如：电子探针X射线微区分析仪（简称电子探针，EPMA）等。
其中，扫描电子显微镜是当今最重要的分析仪器之一，在许多研究领域中具有不可替代的作用。
但是，在日常的使用过程中人们也发现了扫描电子显微镜在某些领域上的不足之处。
人们通过对电子扫描显微镜的改进，使其应用范围更加广泛。
下面着重介绍几种扫描电子显微镜及扫描电镜的改进及其应用技术。
1 扫描电镜原理扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。
试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。
其中二次电子是最主要的成像信号。
由电子枪发射的能量为5～35keV的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。
聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其他物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。
二次电子信号被探测器收集转换成电信号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。
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扫描隧道显微镜数据采集与控制系统的改进The Improvement of Data Acquisition andControl System of Scanning TunnelingMicroscope物理学院物理系99级章一鸣马雄峰摘要本文阐述了我们在实验室原有扫描隧道显微镜系统的基础上改进其数据采集和控制系统的工作，主要的改进在电子学和程序控制两方面。
我们采用最新的AD7202板卡改进了数据采集和控制系统，并根据新的系统重写了Windows2000下的控制程序和图像处理程序，使系统从原有的200×200分辨率扩展至现在的较大可变范围（256×256～2048×2048）。
我们应用新的扫描隧道显微镜系统观察了高定向石墨表面，将新系统和旧系统进行比较，验证新系统的可行性。
关键词扫描隧道显微镜，数模转换AbstractThis thesis concerns about our work on improving the data acquisition and control system of a Scanning Tunneling Microscope (STM) system on the basis of the original one. The development focuses mainly on the electronic system and the control program. We improved the data acquisition and control system with the AD7202 card, and according to the new system, we rewrite the control program and image processing program under Windows2000, extending the scanning resolution, from 200×200 to a larger variable range (256×256～2048×2048). We use this new STM to observe the surface of HOPG, and compare the new system with the old one to verify the feasibility of the new system.KeywordsScanning Tunneling Microscope (STM), AD/DA一、扫描隧道显微镜简介今年正值IBM苏黎世实验室的G. Binnig与H. Rohrer等人发明世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，简称STM) ○1-○3二十周年。
因为发明STM的卓越贡献，G. Binnig与H. Rohrer和E. Ruska分享了1986年度的Nobel物理学奖，距今也已经16年了。
STM这一新型的表面分析技术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的工作者的关注和兴趣，其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。
○4 STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。
STM的核心部件是一个能在样品表面进行扫描的金属探针（tip），探针固定在用压电陶瓷做成的三维坐标架上。
当针尖很靠近样品表面时，由于量子力学中的隧道效应，针尖和样品之间会发生电子隧穿现象，当给针尖和样品之间加上一适当偏压V T，则可探测到隧道电流J T。
而这个隧道电流及其敏感的依赖于探针和样品之间的距离，从而使得STM有很高的分辨本领，在面内（横向）的分辨率约为0.1nm，在垂直的方向上则要优于0.01nm。
○5STM的基本构造可分为以下几部分：机械装置（扫描探针，压电陶瓷构成的三维扫描控制器，粗逼近马达和多级减震措施），电子学系统（信号的各级放大和运算，反馈控制等），数模转换部分（计算机与电子学系统通信的桥梁）和计算机（硬件接口和相应的控制软件）。
这里需要指出的是，一般的STM系统在恒定电流模式下采集的电压只能反映针尖在Z向的位置，我们实验室的系统可以有两种数据采集模式：直流模式和交流模式。
其中直流模式下采集的电压反映针尖在Z向的位置，交流模式下采集的电压反映针尖在Z向的位置变化，是我们的STM 系统所特有的，也是在我们实验室里最常用的。
由于不同模式对我们的工作有着不同的要求，下面简要介绍一下这两种模式的特点。
加在Z 陶瓷上的电压来自HVZ 的输出，经过右面的网络：可见，开关选在直流档，即在直流模式下，Z 陶瓷上的电压经过简单的分压，输出电压与Z 陶瓷电压成正比。
在交流模式下，Z 陶瓷上的电压经过一阻容构成的高通滤波器，输出电压反映了Z 陶瓷电压的变化。
交流模式的优点在于：所得到的数据不直接反映Z 陶瓷的电压（针尖的高度），而反映其变化（在功函数一定的情况下，反映样品表面的起伏），从而避免了在直流模式下的X,Y 电压的补偿调节，并且去掉了无用且相对较大的直流信号，有利于提取有用信号。
比如对于样品表面台阶（几个原子高度）的研究，直流模式下是无能为力的，因为它只能得到一边是白一边是黑的图像，而在交流模式下却能得到台阶处的原子分辨。
但是交流模式对系统提出了更高的要求，因为输出电压不仅是HVZ 的函数，还是时间的函数。
网络的时间常数为15ms ，这就要求我们对每步之间的时间间隔控制必须非常精确（Δt<<15ms ），这样得到的数据才是有意义的。
在后面会说到，我们利用硬件支持的Performance Counter 模拟了一个高精度定时器，很好的解决了这个问题图一 采集模式选择网络HVZ二、扫描隧道显微镜系统的改进（一）问题的提出和改进目标实验室原有系统建立于1993年，受当时计算机性能、电子学技术等的限制，只采用了8位的数模转换芯片（AD/DA converter），使横向、纵向分辨率只能达到最高256×256（事实上的分辨率只有200×200），纵向分辨精度也只有8位，导致每幅STM图像信息量不够，未能充分发掘仪器的性能。
导致此问题的关键自然在于系统的数模转换系统，于是，我们着手改进仪器的数模转换系统。
我们希望用12位或16位的AD/DA芯片或转换卡来升级数模转换系统，使横向分辨率至少达到2000×2000，纵向精度达到12位，以便得到大范围和高清晰度的扫描图像。
此外，原有系统的AD芯片并无AD完成的判断，导致Windows 下程序频繁切换或系统繁忙时可能出现一些白线，在此次升级过程中也希望予以解决。
（二）电子学系统的改进实验室原有系统的逻辑框图如图二（仅STM部分，STS部分与STM部分对于本次改进而言除一些开关量之外是一样的，为简洁起见并未画出。
但STS 所用的开关量定义已经在后面的接口定义中给出）。
我们希望将图中的ADZ，DA和8255通信接口整合在一块带数字输入输出的数模转换卡中。
由此上面的框图可以看出，我们要选用的数模转换卡至少要符合以下条件：1.三路或以上的DA通道（X，Y方向的扫描控制和针尖样品偏压）；2.三路或以上的AD通道（STM像，STS像和STS谱）；3.数字输出8位或以上（dI/dV开关，+Vb开关，-Vb开关，采样保持开关，图二改进前STM系统逻辑功能图○6马达开关及3位马达控制）4.数字输入3位或以上（隧道电流检测，行同步，页同步）根据以上要求，我们对市场上的AD/DA卡进行了调查和筛选，最终决定使用瑞博华公司的AD7202转换卡，该卡的主要功能如下：○71.AD输入：12位，单端32通道（AD0～AD31），双端16通道，转换速度100K/s；2.DA输出：12位，2通道（DA0，DA1）；3.数字输入：8路（DI0～DI7）；4.数字输出：8路（DO0～DO7）；该卡的AD/DA都可以选择电压范围0～10V或-5～+5伏。
并且该卡带有AD完成查询标志，这对于我们解决原先的扫描白线问题是至关重要的。
在我们图三改进后的STM系统逻辑功能图开发期间需要2块AD7202才能实现3通道DA，完成后该公司将会为我们定制带4通道DA的卡，只需一块就能实现全部功能。
经我们改进后的系统逻辑框图如图二，AD7202卡完全代替了原先的ADZ，DA和8255通信接口，并且精度更高，功能更为强大。
改进后，电子学系统都通过AD7202卡进行控制，由于数模转换已在计算机内完成，因此计算机与电子学系统的连接只有少数几根开关信号和模拟信号线，简化了各系统间的联接。
各接口的定义如下：1号卡：AD0：STM像输入；AD1：STS谱输入；AD2：STS像输入；DA0：X轴电压；DA1：Y轴电压；2号卡：DA0：针尖样品偏压；DO（数字输出）：DI（数字输入）：其中，各开关量0表示开，1表示关；对采样保持，0表示保持（hold），1表示采样（sample）；对隧道电流检测，1表示有隧道电流，0表示无隧道电流。
（三）控制程序的设计控制程序总体来说可分为以下几个模块：1.文件读写；2.粗逼近；3.扫描控制；4.数据采集；5.界面显示；6.参数设置和保存；程序采用Visual C++ 6.0实现，下面分各模块介绍实现的方法。
1.文件读写采用MFC的序列化方法（Serialize），在文件中依次保存了STM文件的识别标志，时间，日期，扫描样品，衬底，简要描述，STM工作模式，扫描时间，X、Y向的最大坐标，隧道电流，X、Y、Z向最大电压，X、Y、Z向压电系数，X、Y、Z向范围，偏压以及扫描数据。
虽然用了序列化的方法导致与原DOS程序文件格式不相容，但这样的方法更为直观方便。
由于图像分辨率和每个点的精度不同，原来的图像处理程序肯定不能再用，为此我们已经编写了新的图像处理程序，文件格式的不相容不会造成任何问题。
2.粗逼近如图四，对话框左边有四个按钮，分别是自动进针，自动退针，单步进针，单步退针。
左下显示针尖位置和进度条。
右边可以设置马达速度和步长（步长一般是确定的，不用更改）。
本系统的马达采用数字控制。
依前接口定义可知，向1号卡的DO依次循环发送0x35，0x34，0x36，0x32，0x33，0x31就可实现马达进针。
将此序列反向循环发送就可使马达后退。
由于是数字控制，马达的运动是不连续的，每一步大约37.5nm，由此可知道当前针尖的物理位置（可相差一个常数）。
在进针过程中，必须随时判断是否进入隧道状态，在自动进针状态，若进入隧道状态应立即停止。
判断方法就是读取1号卡的DI，看其第1位是否为1。