扫描隧道显微镜(STM)的原理和应用
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(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
扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用
扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用随着科技的发展，纳米技术在当今社会中已经变得越来越重要。
而扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）便是纳米技术中的一种重要手段。
本文将会从以下几个方面来阐述STM在纳米技术中的应用。
一、STM的原理和结构STM是由希伯来大学的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1981年发明的。
其结构比较简单，主要由两个部分组成：一根锥形的导电探针和一个样品平台。
导电探针的锥面非常锐利，仅有数个原子的大小。
当导电探针极其靠近样品表面时，会产生微小的电子跃迁效应，从而产生电流。
STM可以通过量化地测量电流来检测样品表面的拓扑结构，并以此来产生图像。
二、STM在纳米材料制备中的应用纳米材料制备是纳米技术中的核心之一。
STM可以直接控制原子在样品表面的排列顺序，因而可以用来制备纳米材料。
在该过程中，导电探针和样品表面之间的电场可以被用来操控原子的位置。
例如，在银原子上加上一些电子束可以使银原子向某个方向移动。
这种自组装技术可以用来制备出复杂的纳米结构。
三、STM在表面分析中的应用STM可以扫描物体表面，获取图像并分析物体表面的结构和性质。
通过APM，人们可以了解到各种表面微观形貌和结构的变化，如表面的缺陷、原子和分子的位置、晶格、晶体缺陷瑕疵等等。
四、STM在化学反应动力学中的应用STM可以被用来研究物质表面化学反应。
例如，在催化剂表面，STM可以直接观察到化学反应的过程，由此可以提供反应动力学的信息。
STM还可以使用电子激发的光电子激发技术，确定反应物、中间体、和反应产物的结构和光谱性质。
五、STM在生物学中的应用STM在生物学中被用来观测蛋白质、DNA和其他生物大分子。
根据生物大分子的光学性质，STM可以揭示这些分子的三维结构，从而帮助科学家研究生物学中重要的分子运动和交互作用等。
六、未来STM的发展STM在纳米技术中的应用已经为科学家们所熟知。
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综述.
扫描隧道显微镜的原理及应用综述
摘要
扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。
本文简要介绍了扫描隧道显微镜的工作原理以及扫描探针显微技术在化学、生物及物理学等领域的作用和应用前景。
最后还揭示了其一定的局限性。
关键字
扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）
隧道效应扫描隧道显微术应用
一、引言
在光学显微镜和电子显微镜的结构和性能得到不断完善的同时，基于其它各种原理的显微镜也不断问世。
其中，1982年宾尼（G. Binnig）和罗雷尔（H.Rohrer）等人研制成功的扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）是显微镜领域的新成员。
这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。
两位科学家因此与电子显微镜的发明者
图１ G.Binnig
H.Rohrer
E Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
近年来，在ＳＴＭ的基础上又发展出了另一种扫描探针显微镜---原子力显微镜（ＡＦＭ）。
现在一般将ＳＴＭ和ＡＦＭ合称ＳＰＭ（扫描探针显微镜）。
......。
STM的原理和应用
STM的原理和应用STM（Scanning Tunneling Microscope），扫描隧道显微镜，是一种利用量子力学原理研究物质表面性质的高分辨率成像仪器。
STM的工作原理基于电子的量子隧穿效应，通过探针与样品表面之间的隧穿电流来获取样品表面的拓扑信息，从而实现纳米级别的三维成像。
STM的应用非常广泛，在物理学、化学、生物学等领域都有重要的研究价值。
STM的工作原理可简述为：在STM中，有一个微细的金属探针（Tip）和样品表面之间保持非常近的距离（通常为纳米级别）。
当给定一个小的电压差（通常为几毫伏到几电压之间）时，形成的隧穿电流会随着两个不同位置之间的距离变化而变化。
通过控制探针位置，可以测量电流的变化，并映射到样品表面的形貌上。
通过扫描探针的位置，可以得到样品表面的拓扑信息。
STM的成功应用离不开以下几个关键技术：1.原子力探测：STM使用了一个非常锋利尖端的金属探针，可以感知样品表面的原子力，从而获得样品表面的拓扑信息。
这种技术在纳米尺度下非常有效，可以得到非常高分辨率的图像。
2.量子隧穿效应：在STM中，探针和样品表面之间形成的微小隧穿电流是基于量子力学的隧穿效应。
这种效应使得STM可以在非常小的尺度下进行高分辨率成像，并且可以探测到样品表面的微观结构和性质。
3.负反馈控制：为了保持探针和样品表面的距离保持稳定，STM使用了负反馈控制系统。
这个系统会根据探针和样品表面之间的隧穿电流的变化来调整探针的位置，使得电流保持在一个恒定的水平，从而得到稳定的成像结果。
STM在科学研究中有着广泛的应用，包括以下几个方面：1.表面科学研究：STM可以实现对材料表面结构的高分辨率成像，并且可以通过控制探针的位置来控制表面结构。
这为理解材料的表面性质和表面反应过程提供了重要的手段。
2.纳米技术研究：STM可以进行纳米级别的成像和加工，可以用于纳米材料的制备、纳米器件的设计和纳米材料的研究等方面。
它在纳米技术研究中发挥了重要作用。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。
它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性，能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。
本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。
一、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。
它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。
当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时，由于量子隧穿效应的存在，探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面，形成一晶格单位长度上的隧穿电流。
通过控制探针和样品之间的距离，并测量隧穿电流的变化，就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。
STM的应用非常广泛。
首先，它可以用于表面形貌的观察和测量。
利用STM的纳米尺度分辨率，可以研究材料表面的形貌结构，比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。
其次，STM可以用于电子能级的探测。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以了解样品的电子性质，比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。
另外，STM还可以用于表面化学反应的研究。
通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段，可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。
二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）AFM是由盖柏勒（Gerd Binnig）和罗隆德（Heinrich Rohrer）于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。
它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。
AFM采用非接触的方式，将探针尖端靠近样品表面，并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度，来推测表面的形貌和性质。
扫描隧道显微镜原理与工作方式解析
扫描隧道显微镜原理与工作方式解析扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM）是一种由Ernst Ruska和Gerd Binnig等科学家于1981年共同发明的一种高分辨率显微镜。
它是一种利用量子力学效应进行成像的工具，能够达到原子尺度的分辨率。
本文将解析扫描隧道显微镜的原理和工作方式。
扫描隧道显微镜的原理基于隧道效应，即电子通过微小的空隙隧道传输的现象。
根据量子力学的隧道效应理论，当微小的尖端与样品表面极为接近时，电子可以通过锐利的尖端与样品间的真空间隙隧道传输。
扫描隧道显微镜利用这一原理，通过探针的运动来扫描样品表面，同时测量隧道电流的强度，从而形成显微图像。
扫描隧道显微镜的主要组成部分包括探针、探针悬臂、扫描系统和信号检测系统。
探针是扫描隧道显微镜的核心部件，由一根非常尖锐的金属探针组成，通常使用铂铱合金或钨材料制成。
探针悬臂用于固定和调节探针位置，以确保其稳定性和精确度。
扫描系统用于控制探针在样品表面上的运动路径，包括横向和纵向扫描。
信号检测系统用于测量隧道电流的强度，并将其转化为可视化的显微图像。
当扫描隧道显微镜开始工作时，探针悬臂将探针带至样品表面上的感兴趣区域，使其离样品表面非常接近，通常在纳米米的范围内。
然后，应用一个微小的电压差，使得探针与样品之间形成隧道电流。
这种隧道电流的大小与探针与样品之间的距离和表面的电子状态有关。
随着探针在样品表面上的扫描运动，隧道电流的强度也会发生变化。
为了生成显微图像，扫描系统通过电子信号的调节来控制探针的扫描轨迹。
通常采用的是锁定模式，即通过调整探针的位置，使得隧道电流保持在一个恒定的值，从而保持探针与样品的恒定间距。
同时，扫描系统将探针在样品表面上的运动轨迹记录下来，并将其转化为显微图像。
在信号检测系统中，隧道电流的强度被检测并放大。
然后，该信号被转化为显微图像，并通过计算机显示在监视器上。
显微图像能够清晰地显示出样品表面的各种特征，包括原子、分子和局部缺陷等。
STM的原理和应用
STM的原理和应用STM（Scanning Tunneling Microscope），即扫描隧道显微镜，是一种通过测量样品表面原子尺度的电子隧穿电流来观察和操纵物质的表面结构的仪器。
它是由IBM研究中心的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1981年发明的，并因此而获得了1986年诺贝尔物理学奖。
STM的工作原理可以分为两个基本步骤：扫描和测量。
1.扫描：STM使用一根尖端通常由金属（如钨）制成，其末端仅有一个原子大小（约0.1纳米）。
这个尖端被放置在样品表面上，并且在尖端和样品之间施加一小电压。
隧穿电流随着尖端到样品之间的距离变化，会通过反馈机制将尖端保持在特定的高度上扫描样品的表面。
2.测量：通过测量尖端和样品之间的隧道电流强度，可以获得样品表面的拓扑图像。
当尖端在扫描过程中在表面上的不同位置时，隧道电流的强度会变化，从而形成一个二维的电流图像，显示出样品表面的形态特征。
STM的应用非常广泛，包括但不限于以下几个领域：1.材料科学：STM可以用于研究各种材料的表面结构和性质。
例如，可以使用STM观察纳米级的材料表面，研究材料的晶体结构、原子排列方式以及表面缺陷和结构的形成机制。
2.纳米科技：STM是研究纳米尺度表面科学和纳米结构制造的重要工具。
通过STM可以直接观察和操作纳米级尺寸的结构，例如制备和研究纳米线、纳米颗粒、纳米管等。
3.生物科学：STM在生物科学研究中也有广泛的应用，例如在观察蛋白质、DNA、生物分子等的形态和结构方面具有重要意义。
此外，STM还可用于生物分子和细胞的定位和操作。
4.表面化学：STM可以用于研究表面化学反应的动力学和过程，例如在催化剂研究中。
通过STM，可以实时观察并随时进行反应条件的调整，从而探索和优化化学反应和催化机制。
5.纳米电子学：STM的隧道电流的调控特性使其成为一种重要的纳米电子学工具。
利用STM可以通过控制隧道电流来操纵和测量纳米级电子器件的性能，例如在纳米晶体管、量子点和量子阱等领域中的应用。
STM的原理组成和应用
STM的原理、组成和应用1. STM的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种能够观察到原子尺度上表面形貌和电子结构的高分辨率显微镜。
STM的工作原理是利用量子隧道效应，通过探针和样品之间的电子隧道传输电流来获取表面的拓扑结构信息。
其主要原理可以概括为以下几点：•量子隧道效应：根据量子力学的理论，当探针和样品之间的距离足够接近时，电子可以通过隧道效应，穿过障碍物从探针到样品或相反方向传输。
这种隧道电流的强度与探针和样品之间的距离存在指数关系。
•反馈调节：通过探针和样品之间的隧道电流作为反馈信号进行调节，保持探针与样品之间的恒定电流。
通过调节探针的高度位置，实现对样品表面的扫描。
•表面拓扑重建：根据探针与样品之间的隧道电流的变化，绘制出样品表面的拓扑结构。
通过记录探针的位置和隧道电流的大小，可以创建出具有原子级分辨率的表面拓扑图像。
2. STM的组成STM主要由以下部分组成：•扫描单元：包括探针、探针电极和扫描驱动器。
探针选择导电性良好的金属材料，如钨或铂。
探针电极承担产生隧道电流及记录样品表面拓扑的作用。
扫描驱动器用于控制探针在样品表面的移动。
•样品台：提供固定样品的平台，具有高精度的移动机构，可以实现样品位置的微调和横向移动。
•探针调节单元：用于调节探针与样品之间的距离，并保持隧道电流的恒定。
调节单元通常由压电驱动器、光学传感器和反馈电路组成。
•信号采集和处理系统：用于采集扫描过程中产生的信号，并将其转换为图像。
信号采集和处理系统由前置放大器、AD转换器和计算机系统组成。
3. STM的应用由于STM具有高分辨率、高灵敏度和宽工作温度范围等特点，因此在材料科学、表面物理学、纳米技术等领域有着广泛的应用。
以下是STM的一些常见应用：3.1 表面形貌研究STM可以绘制出原子级分辨率的表面拓扑图像，用于研究材料的表面形貌。
通过观察表面的原子间距、立体结构和缺陷等信息，可以研究材料的生长机制、晶体缺陷和表面形貌变化等。
STM的原理和应用总结
STM的原理和应用总结STM（Scanning Tunneling Microscopy），即扫描隧道显微镜，是一种基于电子隧道效应的高分辨率成像技术。
它可以在原子尺度上对固体表面进行成像，并能够揭示表面的原子结构和性质。
STM的原理和应用涉及电子隧道效应、原子尺度成像、拓扑表面重构等方面。
STM的原理是基于电子的隧道效应。
当一个导体针尖和样品表面非常接近时，根据量子力学原理，电子可以通过表面的势垒形成隧道，并传输到另一侧。
STM中的导体针尖和样品分别作为探针和样品电极，通过调节针尖和样品之间的电压，可以控制电子的流动。
当电压设定在适当范围内时，电流将随着针尖的位置和样品表面形貌的变化而变化。
通过测量电流的变化，可以重建出样品表面的形貌和原子结构。
基于STM的成像原理，STM可以实现原子尺度的成像。
相比于光学显微镜的衍射极限，STM能够实现更高的分辨率。
因为STM是基于固体表面的电子结构进行成像，而不是光的散射，所以可以实现约0.1纳米量级的分辨率。
这使得STM成为探索纳米尺度物理特性和材料表面微观结构的有力工具。
STM的应用非常广泛。
首先，在材料科学领域，STM可以对表面拓扑结构进行精确的观测，揭示材料表面的微观性质。
例如，STM可以用于研究材料表面的各种重构现象（如(2x1)、(1x1)等），以及表面的缺陷和原子吸附等。
这对于理解材料的表面性质、表面反应以及固体材料的生长机制等具有重要意义。
其次，STM在纳米科学和纳米技术中具有重要的意义。
利用STM，可以观察和操纵单个原子、分子和纳米结构。
这对于研究纳米尺度电子和磁性行为，以及构建纳米器件和纳米材料等具有重要意义。
此外，STM还在生物领域中发挥重要作用。
由于STM能够以原子分辨率观察活体样品的表面结构，因此被广泛用于生物分子、细胞和组织的研究。
比如，STM可以用于研究蛋白质的结构和功能，观察生物膜和生物分子之间的相互作用等。
最后，STM还可以用于研究表面的电子结构。
扫描隧道显微镜
STM的原理及其应用摘要：近年来，人类在纳米科技领域内的研究取得了引人瞩目的成就。
而扫描隧道显微镜（STM）是纳米科技发展的重要基础。
STM系统的出现首次成功实现了对原子实际空间图像的观察，促进了人类对微观领域的认知，推动了纳米科技的发展。
本文主要介绍了STM的原理、系统结构极其应用。
1扫描隧道显微镜（STM）的概述[1,2,3]1.1扫描隧道显微镜（STM）的发展1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼（Gerd Binnig）博士和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,以下简称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的物理、化学性质，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，为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
而在1988年，白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科研成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。
1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作退出了我国第一台STM，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。
STM在表面吸附和实用材料的研究中占有特殊地位。
STM可以清晰观察到原子簇化合物和有机金属化合物在不同晶体的吸附和扩散;在实用材料的表面结构研究中，包括高温超导材料的表面原子排列和能谱的研究，金属卤化物的高分辨率表面结构的研究，晶体生长动力学的研究等等，STM都具有不可代替的作用。
尤其值得一提的是，利用STM技术实现了室温下单电子隧穿效应。
所谓电子隧穿就是让电子“排好队”，一个接着一个地通过介观尺度（指10-9—10-7的长度）的结构。
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。
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用随着科技的发展，我们能够看到越来越微小的物质，这对于人类研究新材料、新技术具有重要意义。
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）就是一种现代的纳米尺度下的表征手段，它可以帮助我们观察和理解物质的微观结构和性质。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其在物理、化学、材料科学等领域的应用。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是李世英和麦克米伦在1981年研究成功的，其核心部件是一个微小的探针。
探针由单一原子尖端构成，其直径只有1至2纳米（nm），比人类头发直径还要小上百倍。
这种探针可以通过微操纵控制在样品表面上移动，同时通过传感器和计算机生成高分辨率三维图像。
扫描隧道显微镜的原理是利用量子力学隧穿效应实现的。
隧穿效应是指电子在固体间距很小的几个原子距离时，能够从一侧隧穿到另一侧。
在扫描隧道显微镜中，探针与样品表面间存在微小的空隙，当给探针和样品表面施加微小的电压后，电子就能够通过隧穿现象发生电流。
通过控制电压，可以使电子在探针和样品表面间的空隙穿透，形成扫描隧道电流。
在扫描探针不断移动和测量的过程中，计算机通过处理隧道电流数据，生成出可视化的高分辨率三维图像。
二、扫描隧道显微镜在各领域的应用扫描隧道显微镜在物理、化学、材料科学等领域的应用非常广泛。
下面介绍其中一些代表性的应用场景。
1. 材料科学材料科学研究主要关注材料的微观结构和性质，扫描隧道显微镜正是一种极其精准的工具。
通过扫描隧道显微镜，我们可以观察到材料表面的原子排列和晶格结构，更深层次的研究则可以揭示材料各种性质的起源。
2. 生物医学扫描隧道显微镜也可以用于细胞和生物标本的观察。
扫描隧道显微镜具有高分辨率的特点，可以直接观察到细胞表面的特征，甚至可以观察到生物分子的结构。
3. 量子计算机扫描隧道显微镜也可以用于制造量子计算机中的关键部件，特别是在制造原子的量子比特时。
借助扫描隧道显微镜来精确获取原子位置的信息，可以为量子计算机的制造提供支持。
扫描隧道显微镜的原理及应用.
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!
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
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。
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
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；
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。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合
谢谢大家！
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要 有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等 几种。 图中为三脚架型，由三根独立的长棱柱型压 电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起， 针尖放在三脚架的顶端，在电场的作用下三 条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个 方向运动，从而控制针尖在样品表面进行高 精度的扫描。
3. AFM的工作模式
非接触式
针尖与样品间相互作用力是范德华吸引力。在针尖上加—小的振荡信号，针尖 和样品间距是通过保持振幅恒定来控制的。 优点：对样品无损伤 缺点：分辨率要比接触式的低。图像数据不稳定。
4. AFM的工作模式
轻敲式 van der Waals force curve
介于接触模式和非接触模式之间:其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比 非接触模式更大的振幅(5-100nm)，针尖在振荡时间断地与样品接触。
扫描隧道显微镜
(Scanning Tunneling Microscope，STM）
原子力显微镜
（Atomic Force Microscope , AFM） 报告人：董卫民 施淑颖
1.STM的发明
1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功 地 研 制 出 世 界 上 第 一 台 新 型 的 表 面 分 析 仪 器 ， 即 扫 描 隧 道 显 微 镜 (Scanning Tunneling Microscope)。 它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研 究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以 及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。 STM的发明被国 际科学界公认为 20世纪80年代世界十大科技成就之一；由于这一杰出成就宾尼和罗 雷尔获得了1986年诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
压电陶瓷或晶体
3.STM的仪器构造
所谓压电现象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。许多晶体，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。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几 分之一纳米到几微米的位移。
世界上第一台扫扫描道显微镜
葛·宾尼
海·罗雷尔
2.STM的原理
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量
子力学中的隧道效应。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V0 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(如图)这个现象称为隧道效 应。
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。
4.STM的应用
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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。
在E ＜V 时，虽不能形成有一定波长的波动，但电子仍能进入V 区的一定深度。
当该势垒区很窄时，即使是动能E 小于势垒V ，也会有一部分电子穿透V 区而自身动能E 不变。
换言之，在E ＜V 时，电子入射势垒就一定有反射电子波存在，但也有透射波存在。
2、STM 工作原理
图2、STM 工作原理示意图
如图2所示为扫描隧道显微镜的工作原理示意图，它利用尖锐的金属针尖和导电样品之间的隧道电流来描述样品表面的局域信息。
导致STM技术发明的主要原因是作为局域探测技术的三个实验难题获得解决：维持只有几埃量级宽的缝隙稳定性技术、使探针在表面以亚埃德精度定位和扫描的压电传感技术、使样品从原理针尖到逼近针尖至5埃以内而不损坏针尖和样品表面的技术。
STM技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏压的针尖。
具体地说，是将极细的探针和被研究的物体表面看做两个电极，当样品和探针的距离非常接近时（通常小于1纳米），它们之间的势垒变得很薄，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录遂道电流的变化就能得到有感样品表面形貌的信息。
通常在STM中，针尖是被固定在一个压电陶瓷制成的扫尾扫描架上，通过改变陶瓷上的电压，使得陶瓷的长度发生微笑的变化，从而使样品于针尖的距离（z 方向）以及针尖在样品表面的位置（x、y方向）发生细微的改变。
在进行针尖扫面时，根据隧道电流与z方向陶瓷电压之间的反馈方式的不同，STM针尖的工作方式分为横高和恒电流两种模式。
所谓的恒电流模式就是利用电子反馈电路保持隧道电流恒定，并将隧道电流反馈到z陶瓷上，控制z陶瓷上的电压从而调节针尖到样品表面的距离进行扫描，探针在垂直于样品表面方向上的高低变化就能放映出样品表面的起伏。
如图3（左）。
将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在计算机屏幕上显示出来就得到了样品表面态密度分布或原子排列的图像。
这种恒电流扫描方式可用于观察表面起伏较大的样品，且可通过测量z方向驱动器上的电压值推算表面高度起伏的数值。
对于表面起伏不大的样品，可以保持针尖高度恒定扫描，通过记录隧道电流的变化也可得到样品表面态密度的分布。
如图3(右)这种横高度扫描方式的特点是扫描速度快，能减少噪音和热漂移对信号的影响，但不能用于观察表面起伏大于1nm的样品，否则很容易使针尖碰坏。
图3 、STM的扫描工作模式（左）恒定电流模式（右）横高模式
3、针尖制备
隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。
针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。
针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。
如果针尖的尖端只有1或1~2个原子的突出，原则上就能获得原子级分辨，因为隧穿几率随着间距是迅速衰减的，所以针尖的锐度、形状和化学纯度直接影响着STM 图像的质量和分辨率。
通常针尖是用金属材料制成，但根据材料性质的不同，制作针尖的方法也不同，比如Pt/Ir针尖常用机械挤压或研磨的方法，而钨针尖则用电化学腐蚀的方法获得，另外还可以通过电子束沉淀或场致蒸发等材料制备技术，在金属丝的晶面上通过人工控制生长出稳定的单原子针尖。
本实验所用针尖是用直径为0.5mm钨丝经化学腐蚀方法制得的，如图4所示。
U型管中装有NaOH水溶液，U型管一端插入要溶解的钨丝作为阳极，另一端插入阴极，材料也是钨丝。
当在阳极上加约5~40mA的电流时，阴极便有气泡放出。
当钨丝的一端插入到电解液中时，水溶液的表面张力使得钨丝周围形成一个弯液面，弯液面处钨丝溶解较快，并逐步细化，最后在液面下端部分重力帮助下，在液面处溶断成为针尖。
图4、针尖制备
三、实验内容：
实验条件：在粗逼近的过程中，调节电流为1V，电压为1000V，先自动金针，而后单步进针至Z方向的电压为近似100V时停止进针；在扫描的时候，调节隧道电流为2.
5-3V,电压为400V，若x、y方向的压电陶瓷电压为2V，那么扫描时间为400ms。
在逼近和扫描时所选用电压及电流不同，是为了调节进针幅度。
实验仪器：STM系统
通常，STM 主要是由减震系统、粗逼近、扫描架和电子反馈控制系统组成的。
实验方法：用电化学腐蚀法制作STM 针尖，采用隧道效应的原理。
实验步骤：
（1） 制备样品及探针
注意：钨丝浸入溶液的长度控制在1-2mm 。
制备过程中，保持周围环境安静稳定，不要振动，比如人不能碰工作台，不要面对溶液吹气等
（2） 装针尖
（3） 控制和处理软件
（4） 获取石墨的原子分辨像
（5） 图像处理
（6） 计算系统的x 、y 方向上压电陶瓷的电压灵敏度
四、实验结果极其分析：
如下图5所示为在x 、y 方向所加的压电陶瓷电压为2V 、时间400ms 时所得的原子分辨像。
图5、石墨的原子分辨像
在图上取石墨晶体的某一晶向AB ，直线AB 在x 轴和y 轴的截距分别为7.5cm 、3.5cm 。
两节点相间7个c 原子。
由石墨的晶体结构，我们可知所截取的直线上两相邻c 原子的间距为2.460
A 。
由此可得系统在x 、y 方向上电陶瓷的电压灵敏度分别为 =x A 14
5.72cos 4
6.27⨯⨯⨯θ=14.53,cos θ=OA/AB 155.32sin 46.27⨯⨯⨯=θy A =15.6,sin θ=OB/AB
由此可见，利用STM技术可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率可达0.1纳米。
实验的误差来源于制备的探针针尖的质量好坏，测量计算的准确程度。
而针尖的纵横比不同，针尖的质量就不同。
纵横比越小的针尖，做实验所得的效果越好。
弯液面的形状决定针尖的纵横比和整体形状。
弯液面越短，纵横比越小。
在化学反应进行的过程中，钨丝截面的变化和扰动等原因均可能引起弯液面位置的变化，为避免形成畸形针尖，应时刻注意液面的变化。
所以不能对着样品吹气，不能使桌面振动。
钨丝在溶液中的长度也直接影响针尖的质量。
如果在溶液中的残端太长，在重力的作用下，残端掉落得快，这样的针尖纵横比大，会影响针尖的稳定性。
五、实验结论和建议：
本实验中，利用电化学腐蚀的方法制作了探针，并利用所制作的探针扫描石墨样品获取石墨的原子分辨像，最终计算求得系统的x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。
由此可见，利用STM技术可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率可达到0.1nm。
本实验操作精细，对实验仪器的稳定性、实验者的耐性、操作的控制能力都有所考验，实验时切忌毛躁。
六、参考文献：
1、熊俊. 近代物理实验.北京师范大学出版社2007版
2、王思诚.近代物理实验（第三版）.高等教育出版社
3、王魁香.新编近代物理实验.科学出版社。