扫描隧道显微镜详解
扫描隧道显微镜详解
1．参数设置
①“隧道电流”：指“恒流模式”中要保持的恒定电流，也 代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。 该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“隧道电 流”一般设在“0.5-1.0nA” 范围内。
②“偏置电压”：是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道 电流的电压真实值。这一数值设定越大，针尖和样品之间 越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小； “恒高扫描模式”中产生的隧道电流也越大。“偏置电压” 值一般设定在“200-1000mV”范围左右。
1990年，IBM公司的科学家展示了一项成果，他们在金属 镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。
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2．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1)这个现象称为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性
而引起的，透射系数 T 为：
T
16E(V0 V02
E
)
e
2a h
2m(V0 E )
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。
3．扫描隧道显微镜的工作原理
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。
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．
扫描隧道显微镜(CSTM)
(5)配合扫描隧道谱STS (Scanning Tun-neling Spectroscopy)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。 （6）能真实地反映材料表面的三维图像。因此， 可在微米度域至纳米度域测量材料断裂表面的粗 糙度、晶粒大小、表面面积和分形维数以及研究 相变、材料断裂的原过程等。
2. 3扫描隧道谱(STS )工作原理 STS有以下几种工作模式: (1)恒定电流模式:最简单的得到谱信息 的方式便是比较在不同偏压下得到的恒定 电流的形貌像。为了准确定位，两幅图像 的数据应该同时采集。如果要得到更多的 信息，则可以在保持电流恒定的条件下测 量电导dl /dV，作为偏压的函数。这种模 式强调的是电子态的空间分布。 (2)恒定阻抗模式:在改变偏压的同时保 持隧道阻抗的恒定，利用锁相放大器测量 电导。由于恒定隧道阻抗意味着针尖和样 品间距儿乎是恒定的(除了零偏压处)，这种 模式在金属表面上能得到很好的结果，但 在半导体表面由于禁带的存在而不适用。
(4)可变间距模式:恒定间距模式下工作，当偏 压较大时，电流可能会变得很大，以致于超出 模数转换器(A/D)或电流放大器的范围。可变 间距模式通过以下两条途径解决了这个问题: 一是在不同的距离测量I (V)，然后利用I与针 尖和样品S之间的简单的指数关系把它们胶合 一起。其二是在测量I(V)的同时，在陶瓷上加 三角波扫描电压。 (5)恒定平均电流模式:在针尖上加高频调制偏 压，将电流信号进行低通滤波后，再送回反馈 回路来控制针尖的高度，而将未经滤波的信号 送到计算机得到I。
4. 3样品的制备技术与表面防护 为获得真实的、高质量的STM图像，必须制备出 清洁度极高，具有原子级光洁度的样品，所以STM 对样品有极高的要求。对于不同材料的样品，制备 和处理方法都不同。 如： 金属样品的制备:这类样品要求有极高的清洁度、光 洁度和无氧化。通常采用如下方法进行处理：
扫描隧道显微镜的使用教程
扫描隧道显微镜的使用教程随着科学技术的进步，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种高分辨率的显微技术，被广泛应用于材料科学、纳米技术等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用教程，帮助读者了解并正确运用这一先进的显微镜技术。
一、基本原理扫描隧道显微镜基于一种称为隧道效应的物理原理。
当一根尖端针的尖端与被测物体非常接近时，由于电子的波动性，电子会发生隧道穿越现象，从尖端流向被测物体表面。
通过测量流经尖端的电流大小，我们可以得到被测物体表面的形貌信息。
二、准备工作在使用扫描隧道显微镜之前，首先需要准备相关的实验设备和样品。
实验室中应该配备一台高精度的扫描隧道显微镜系统，以及适量的样品和导电性良好的探针。
确保实验环境干净、无尘，以避免尘埃影响显微镜的观察效果。
三、样品制备与安装选择合适的样品，并进行必要的表面处理，以保证样品表面的平整度和干净度。
常见的处理方式包括超声清洗、化学溶液浸泡等。
待处理好的样品需要被固定在扫描隧道显微镜样品台上，可以使用夹具、胶带或其他固定装置。
确保样品的稳定性，以免在扫描过程中发生移动或变形。
四、扫描参数设定在开始实验之前，需要根据样品的性质和实验需求来设定扫描参数。
这些参数包括扫描区域的大小、扫描速度、扫描模式等。
通常情况下，较小的扫描区域能够提供更高的分辨率，但同时需花费更长的扫描时间。
根据实际需要进行权衡，并进行相应的设定。
五、开始扫描确认样品和参数设定后，即可开始实际的扫描操作。
在扫描过程中，需要特别注意显微镜头与样品的距离。
通过微调装置，逐渐将尖端针靠近样品表面，直到隧道电流能够经过，并稳定在合适的范围内。
同时，需要根据实际情况进行针尖的横向和纵向调整，以使得扫描过程中的信号稳定和清晰。
六、结果分析与处理扫描完成后，可以得到样品表面的形貌信息。
使用相应的软件工具，可以对获得的数据进行图像重建、三维重建和分析处理等操作。
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。
THANKS
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扫描隧道电子显微镜
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
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。
?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
扫描隧道电子显微镜
SCANNING TUNNELING MICROSCOP 简 称 STM 发明者 格尔德· 宾宁
隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
扫描隧道电子显微镜
扫描隧道电子显微镜编辑锁定本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
中文名扫描隧道电子显微镜外文名scanning tunneling microscop简称STM发明者格尔德·宾宁目录1. 1 定义2. 2 背景3. 3 发展1. 4 原理2. 5 工作方式3. ▪恒流模式4. ▪恒高模式1. 6 应用2. 7 展望定义编辑扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。
通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。
背景编辑透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。
扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面” 总在一定深度上，而且分辫率也受到很大限制。
场发射电子显微镜（FEM)和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成象（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。
第三章-1 扫描隧道显微镜
扫描隧道显微技术Scanning Tunneling Microscopy•Introduction•Quantum tunneling in STM•STM Instrumentation•STM Operation modes•STM Examples•Manipulation of individual atoms宾尼(Gerd Binning)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年代世界十大科技成Atomic Resolution on Pt(100)UHV Air通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操•具有原子级高分辨率。
•可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
•可观察单个原子层的局部表面结构。
•可在真空、大气、等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探测过程对样品无损伤。
•通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。
STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有关扫描隧道显微技术Scanning Tunneling Microscopy•Introduction•Quantum tunneling in STM•STM Instrumentation•STM Operation modes•STM Examples•Manipulation of individual atoms由前式可知，隧穿电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关，隧道电流即增加约一个数量级。
因此，根据隧穿电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变扫描隧道显微技术Scanning Tunneling Microscopy•Introduction•Quantum tunneling in STM•STM Instrumentation•STM Operation modes•STM Examples•Manipulation of individual atomsSTM Instrumentationsurfaces, a tip with a small cone is required.•The chemical composition at the front end of the tip is important for the铱合金丝金属钨丝聚焦离子束铣削加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩。
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。
扫描探针显微镜
扫描探针显微镜（SPM ）原理一、 描隧道显微镜STM 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0V 时，他不可能越过此势垒，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1)，这个现象称为隧道效应。
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：由式(1)可见，T 与势垒宽度a ，能量差)(0E V -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。
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。
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：式中b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数)(222000)(16E V m a e V E V E T ---≈ )2()exp(21S A V I b Φ-∝)1()(2121Φ+Φ=Φ，1Φ和2Φ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。
隧道探针一般采用直径小于1nm 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。
由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm ，隧道电流即增加约一个数量级。
因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x ，y 方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
扫描隧道显微镜全解
2. STM 观察到的是对应于表面费米能级处的态密度。当 样品表面存在非单一电子态时， STM 得到的并不是真实 的表面形貌，而是表面形貌和表面电子性质的综合表现。
4
STM 的特点
基于 STM 的基本原理，现在已发展起来了一系列扫 描探针显微镜 (SPM) ，如： 原子力显微镜、 扫描热显微镜、 磁力显微镜、 摩擦力显微镜、 静电力显微镜、 扫描电化学显微镜 …… 这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用 来探测表面或界面在纳米尺度表现出的物理性质和化学 性质。
• 恒高模式：扫描速度快，能减少噪音和热漂移对信号 的影响，实现表面形貌的实时显示；要求样品表面相 当平坦，起伏一般不大于 1nm ，否则探针容易与样品 相撞。
4
优点 :
STM 的特点
研究方法
1. 具有原子级高分辩率。横向：0.1nm, 纵向： 0.01nm 。 2. 可实时得到在实空间中表面的三维图像； 3. 可以观察单个原子层的局部表面结构。
第二代——电子显微镜： 1924 年德布罗意指出，微观粒 子除了具有粒子性外，还具有波动性，并且能量越大， 波长越短。 20 世纪 20 年代末，鲁斯卡利用电磁场控制电 子束的运动方向，将通过样品后带有其微观结构信息的 电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的 图像，在 1933 年成功研制了世界上第一台电子显微镜。
3 STM 的工作模式
3.2研究方法 扫描方式
• 移动探针或样品，使探针在样品上扫描。 • 根据样品表面光滑程度不同，采取两种方式扫描：恒 流模式，恒高模式。
3 STM 的工作模式
研究方法 • 恒流模式：适用于表面较为粗糙，表面形貌起伏较大 的样品；要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描 频率。
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。
扫描隧道显微镜简介
扫描隧道显微镜简介一. 前言1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼(Gerd Bining)博士和海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，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，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM。
当时海.罗雷尔是IBM公司苏黎世研究实验室的科学家，葛.宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。
因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。
为此。
扫描隧道显微镜的发明者在1986年获得诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分享）。
二. 扫描隧道显微镜的发展过程我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质宏观结构的有力工具。
最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。
显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。
第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。
但由于光波的性质，光学显微镜的分辨能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。
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
隧道扫描显微镜的基本原理
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。
根据量子力学原理，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，电子云密度并不是在表面边界突变为零。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1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。
扫描隧道显微镜STM
3. 结构及关键技术 （振动隔离及样品移动等与 STM相同）
（1）AFM 微悬臂位移的检测方法 要求： 有纳米量级的检测灵敏度 测量对悬臂产生的作用力小到可忽略 方法： 隧道电流法（用STM） 光学检测法:干涉法 光束反射法 电容检测法
隧道电流法（用 STM）
1986年获诺贝尔物理奖(G.Binnig and H.Rohrer)
二、基本原理
1．隧道电流 隧道结电流密度（对两平行金属）
s：有效隧道距离 VT：所加电压 ko：ko = φ：有效势垒高度
φ＝1/2 (φ1+φ2)eV 对于真空是几个电子伏 对氧化物小于1电子伏
I-s有指数关系： I ∝ exp[-2kos]
△ 弹性和塑性测量 △ 表面原子间力的测量
扫描探针显微镜(SPM )
在STM 基础上发展起来
AFM 与样品有轻微接触(斥力状态)，使样品有损伤。
SPM ：压电陶瓷驱使微悬臂在接近共振频率处作强
迫振动，利用样品与针尖在10-100 nm 范围内的长程
力(如吸引的范德瓦尔力、磁力、静电力等 )，改变微
隧道电流在10－9－10－6 A量级
当s增加Δs时： I ∝ exp[-2kos]·exp[-2koΔs]
设 Δs =1 ? ，ko≈1 ? －1 (φ～5eV) 则 exp[-2koΔs] = e－2 ≈ 1/8 即：当s增加 1? 时，I将减少一个数量级。
2．工作模式 △ 恒高模式 用隧道电流的大小来调制显象管的亮度 △ 恒电流模式 用电子学反馈的方法控制针尖与样品间 距离不变(保持隧道电流不变)，用反馈调 制电压控制显象管亮度或画出表面形貌三 维图象。
STM △ 水平分辨率: 0.1 nm
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(5)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．
(6)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．
(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。
硅(111)面7×7原子 重构像：为了得到表面 清洁的硅片单质材料， 对硅片进行高温加热和 退火处理，在加热和退 火处理的过程中硅表面 的原子进行重新组合， 结构发生较大变化，这 就是所谓的重构。
化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三
维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒 高度模式。
三.实验仪器和样品
1.隧道针尖
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。 ①.针尖的宏观结构应具有高的弯曲共振频率，可减少相位 滞后，提高采集速度。 ②.针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，这 样隧道电流才会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。 ③.针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖 表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从 而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。
1990年，IBM公司的科学家展示了一项成果，他们在金属 镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。
2．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
隧道电流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 )
1 2
(1
2
)
式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压。Φ1和Φ2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。
由上式可知，隧道电流强度 I 对针尖和样品之间的距离 a 有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约 一个数量级。因此，当针尖和样品表面做相对移动时，根据 隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变
电子探针分析之一
第六章
扫描隧道显微镜
一. 实验目的
1. 学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构； 2. 观测和验证量子力学中的隧道效应； 3. 学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，
并以之来观测样品的表面形貌； 4. 学习用计算机软件处理原始图象数据。
二.实验原理
1.引言 2.隧道效应 3.扫描隧道显微镜的工作原理
与其他表面分析技术相比，STM具有如下独 特的优点：
(1)具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上 的分辨率分别可达横向：0.Inm 、纵向：0.01nm。
右图是中国科学院 化学所的科技人员 利用纳米加工技术 在石墨表面通过搬 迁碳原子而绘制出 的世界上最小的中 国地图。
(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。
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．
1986年宾尼和罗雷尔被 授予诺贝尔物理学奖金．
(1)原子的概念：二千多年前的德莫克利特（约公元前460～361） 提出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到 的客体。 (2)人眼睛的分辨本领：------10-4m。 (3)光学显微镜的分辨率：----10-7m，使人们可观察细菌、细 胞等小物体，但受限于光波的衍射效应等。 (4)电子显微镜：扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m， 而高分辨透射电子显微镜（HTEM）可以达到原子级的分辨 率—0．Inm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要 求特殊的样品制备技术和真空条件。 (5)场离子显微镜（FIM）：能直接观察表面原子像，但只能 探测半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且 样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限。 (6)X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出 样品实空间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。
的势垒(如图1)这个现象称为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性
而引起的，透射系数 T 为：
T
16E(V0 V02
E
)
e
2a h
2m(V0 E )
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。
3．扫描隧道显微镜的工作原理
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 过两个不同环境下工作，样品甚至可 浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术并且探测 过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品 和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相 催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变 化的监测等。
液体中观察原子图象 下图所示的是在电
1. 引言
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、
❖ 制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型法 等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。 钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多 用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种 针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂 质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显 微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都 要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧 化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。