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

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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。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。使针尖以一系列平行线段的方式扫描，使可获得高分辨率的三维表面图像。

图1 隧道电流的变化曲线

2工作模式

扫描隧道显微镜的工作模式分为恒电流模式和恒高度模式。

恒电流模式以控制隧道电流的恒定为手段。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品。恒高度模式在扫描过程中保持针尖的高度不变。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

3 实验仪器

电子学系统

支

架计算机

减震系统

针尖驱动机构针尖

样品图4 STM基本构成

上图为本次实验STM 系统的大致结构图，各部分器件结构功能在《近代物理实验讲义》

中已经有详细说明，在此不在赘述。

4 实验步骤

实验中必须明白每步操作的意义，就是要知道为什么要这么做，当然知道仪器上一些参数设定的意义就显得尤为重要

1. “电流设定”的数值意味着恒电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“电流设定”一般在“0.5-1.0nA ” 范围内。

2.“针尖偏压”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，恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV ”范围左右。

3.“Z 电压”是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的真实电压。Z 电压的初始值决定

了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一数值要发生变化。“Z 电压”在探针远离样品时的初始值一般设定在“-150.0mV — -200.0mV ”左右。

4.“采集目标”包括“高度”和“隧道电流”两个选项，选择扫描时采集的是样品表面高度

变化的信息还是隧道电流变化的信息。

5.“输出方式”决定了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线。

6.“扫描速度”可以控制探针扫描时的延迟时间，该值越小，扫描越快。

7.“角度走向”是指探针水平移动的偏转方向，改变角度的数值，会使扫描得到的图象发生

旋转。

8.“尺寸”是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大值有量程决定。尺寸越小，扫描的精

度也越高，改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。

9.“中心偏移”是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移距离，改变中心偏移的数

值能使针尖发生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是当前量程决定的最大尺寸。

10.“工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。

11.“斜面校正”是指探针沿着倾斜的样品表面扫描时所做的软件校正。

12.“往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。

13.“量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。

图像处理中各功能的意义

1.平滑：平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况。

2.滤波：滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。因此，对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除。

3.傅立叶变换：快速傅立叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。

4.图象反转：将图象进行黑白反转，会带来意想不到的视觉效果。

5.数据统计：用统计学的方式对图象数据进行统计分析。

6.三维生成：根据扫描所得的表面型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象。

具体实验操作步骤

1.使用前先检查连线是否正确（机座与控制箱、电脑与控制箱、电源）。

2.先启动电脑，等电脑进入windows XP的界面后，再打开控制箱电源开关，然后打开桌面上的AJI扫描隧道显微镜的控制软件，软件打开后，首先对显微镜进行校正（显微镜>校正>初始化），选定通道零，然后点击“应用”，最后确定。

3.打开如下图框：高度图像（H）、马达控制（A），再点击一次马达控制（A）的“单步进”。

4.剪针尖：首先用化学溶液对针、镊子、剪刀进行清洁，少等片刻让针、镊子、剪刀完全干燥，然后可以剪针尖了。

5.安装针尖：小心的将针尖插入探头的针槽内，确保针的平稳。

6.双手同时调节底座的旋钮，目测一下，使探针与样品的距离接近纳米级别。

7.按照说明书，设置实验参数。单击“单步退”，观察“高度”参数，如果是100V，则重复第4步到第6步；若显示为—100V，则调节电流为0.2nA，单击“连续进”，提示针尖已进入隧道区。

8.使用马达倒退，将装置套上减震系统。缓慢调节电流的参数，使“高度”显示值在0V左右。

9.关掉“马达控制”，单击“扫描”。先调节“扫描范围”为1900nm，得到一幅图像。在这幅图像中，找到一片色差比较小（相当于样品表面比较平整）的区域。再调节“X偏移”和“Y偏移”，使扫描的对象为那一片较平整的区域，并把“扫描范围”调小，改为500nm，再扫描。

10.这时，可调节“范围”、“比例增益”、“积分增益”以及“设置点”，尽量得到一幅不错的

图像。

11.实验结束先用鼠标点击高级马达控制面板中的“连续退”，退到1000步左右停止。将扫

描控制软件关闭，关掉控制箱电源，再关掉电脑，整理和清洁实验工具。