扫描隧道显微镜的原理
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．
1 扫描隧道显微镜(STM)
1 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。
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时（通常小于1nm），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。
这种现象即是隧道效应。
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 和平均功函数Φ 有关：V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，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。
扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。
由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S 减小0.1nm，隧道电流I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏，见图1(a)。
将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。
对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。
这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。
（a）（b）从式可知，在V b和I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V z的变化。
如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。
扫描隧道显微镜STM
STM的工作环境
溶液条件
化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化 学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分 子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。
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。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。 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。
5.STM的应用
STM的工作模式
恒高模式 x,y方向仍起着扫描的 作用，而Z方向则保持 水平高度不变，由于隧 道电流随距离有着明显 的变化，只要记录电流 变化的曲线，就可以给 出高度的变化
3.STM的工作环境
大气和室温条件
在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和 MS2(二硫化钼) 3nm×3nm表面的原子图像。对于在大气中容易被氧化 的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原 子结构图像，而超高真空的环境是必要的。
(a)
(b)
STM的工作环境
超高真空和室温条件
在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。 图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。 其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流 为0.6nA。
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及应用
标题：扫描隧道显微镜原理及应用日期：2012-5一、扫描隧道显微镜的发展人类以前仅仅靠用眼睛去观察世界，但是这是非常有限的，因为人眼能够直接分辨的最小间隔大约为0.07mm，而且，人的手也不能操纵微小的事物。
但是人类额可以利用实验仪器来完成这些。
人们发明了光学显微镜，但是光学显微镜由于自身原理的限制，只能达到100nm左右的数量级。
而后，随着电子显微镜的发明，使得人们可以分辨的事物达到了1nm或者0.1nm 的数量级。
但是这还是远远不够的。
随着人类思想和创造性的发展，一种更精密的仪器出现了。
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（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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。
STM能够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可达到0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子；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，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究；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；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等。
以上优点足以证明STM对人们研究科学现象有着巨大的作用。
二、扫描隧道显微镜基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学理论中的隧道效应。
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V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。
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
扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用引言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，而且分辨率也受到很大限制。
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像（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。
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。
关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料一、扫描隧道显微镜的介绍扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，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。
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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扫描隧道光谱
扫描隧道光谱扫描隧道光谱隧道光谱是一种新兴的分析技术，可以在原子和分子水平上研究物质的电子态，具有广泛的应用前景。
在实际应用过程中，扫描隧道光谱的优越性能也被广泛赞誉和应用。
1.什么是隧道光谱？隧道光谱是一种用于表征分子表面电子结构的技术。
这种技术具有分辨率高，灵敏度高的特点，并且可以在高真空环境下直接测量原子间的相互作用。
2.扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是一种利用量子隧穿效应的显微镜。
该显微镜利用探针的尖端，通过扫描样品表面，可以测量样品表面的形貌和电子能级分布。
探针在扫描时，与样品表面的距离不会超过相邻原子之间的距离，因此可以在纳米尺度上进行测量。
3.扫描隧道光谱的应用扫描隧道光谱可以应用于许多领域，如材料科学、催化剂研究、表面科学、电子学和生物医学等领域。
在材料科学中，扫描隧道光谱可以用于分析材料表面的结构和性质。
在催化剂研究中，扫描隧道光谱可以用于研究催化剂上的活性位点。
在表面科学中，扫描隧道光谱可以用于研究表面的电学和化学性质。
在电子学和生物医学中，扫描隧道光谱可以用于制造分子电子学设备和分析生物分子的结构和性质。
4.扫描隧道光谱的发展趋势随着科技的发展，扫描隧道光谱技术也在不断地进步。
在自主创新的基础上，国内科研人员开发出了一系列高分辨率、高灵敏度的扫描隧道显微镜，并在多个领域进行应用研究。
例如，我国的储能技术、光伏技术、生物医学等领域，在扫描隧道光谱技术的帮助下，实现了重大的突破和发展。
未来，扫描隧道光谱技术将迎来更广泛的应用和深层次的研究。
5.结语扫描隧道光谱技术是一种极其有前途的分析技术，不仅在科学研究中发挥着重要的作用，而且在材料加工、生物医学、半导体工业等领域也有着广泛的应用前景。
在未来，扫描隧道光谱技术将在更多领域展现其优越性能，成为实现科学进步和社会发展的重要手段和工具。
看见微观世界扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用
看见微观世界扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用看见微观世界：扫描隧道显微镜和原子力显微镜的应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近几十年来发展起来的两种重要的研究微观世界的仪器。
它们通过利用微探针对样品表面的扫描，获得高分辨率的表面形貌和电子结构等信息。
本文将介绍扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理以及它们在不同领域中的应用。
一、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜是一种利用量子隧穿效应来进行成像的仪器。
它的原理是在扫描过程中，通过置于样品和探针之间的微小电压差，使电子通过样品表面的微观障垒。
根据电子隧穿电流的强弱，我们可以获得样品表面的拓扑信息。
扫描隧道显微镜的应用非常广泛。
首先，在表面科学研究领域，它被用于研究材料的表面形貌和电子结构等特性。
例如，科学家们可以通过STM观察和操纵单个原子和分子，探索材料表面的奇特现象，进一步理解材料的性质。
其次，在生物医学领域，扫描隧道显微镜可以被用于观察和研究生物分子的结构和功能。
通过在生物大分子上进行扫描，我们可以更好地了解生物分子的结构与功能之间的关系，从而有助于生物医学研究的进展。
此外，在纳米技术领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于纳米器件和纳米结构的研究与制备。
通过STM观察和操作纳米尺度结构，我们可以探索纳米尺度下的材料特性，为纳米科技的发展提供技术支持。
二、原子力显微镜原子力显微镜是一种通过探测样品表面的力信号来获得高分辨率成像的仪器。
它的工作原理是利用探针与样品表面之间的相互作用力，来感知和测量样品表面的微小高度变化。
通过控制探针与样品之间的力保持恒定，我们可以得到准确的表面形貌和性质信息。
原子力显微镜具有广泛的应用领域。
在材料科学领域，AFM可以用于研究材料的力学性质和表面细节。
通过测量力曲线和观察样品表面的纳米级细节，我们可以了解材料的力学特性，例如弹性模量和摩擦力等。
扫描隧道电子显微镜
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
离线数据分析软件
主要特点
• 扫描隧道显微镜具有以下特点∶ • 1、高分辨率 扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为 l Å ， 纵向分辨率达0.1 Å. 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面 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以 及由吸附体引起的表面重构等。 • 2、扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，绘出立体三维结构图像。并且可 用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于 表面扩散等动态过程的研究。 • 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。 • 4、扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生 命过程的动力学研究。 • 5、不需任何透镜， 体积小，有人称之为“口袋显微镜”(pocket microscope)。 • 6、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。
恒高度模式
• 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，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微 图。这种工作方式仅适用于样品表面较 平坦、且组成成分单一。
3扫描隧道显微镜和原子力显微镜
例如：一个平面金属表面上吸附三个原子：Na、 S、He，针尖作恒电流扫描，观察Z方向位移。 Na费米能级处电子态密度比S高，所以位移比S 大；
Na S
He是饱和结构， 费米能级处电子态密
度为0，这时得到的是
基底电子态密度，针 尖向样品接近，以保
He
持I恒定。
图 针尖的位移
第二节 原子力显微镜（AFM）
3. 压电陶瓷
功能：精密控制针尖相对于样品的运动达 0.001nm，扫描精度要求高，用普通机械难以达 到，使用压电陶瓷作X，Y，Z扫描控制。
方式：通过在压电陶瓷上施加一定电压，使 它产生变形，驱动针尖运动。
材料：Pb(Ti,Zr)O3 (PZT), BaTiO3(BT)
形状：条状、双压电陶瓷片状、管状三种。
三、 扫描隧道显微镜的工作模式
根据针尖与样品间相对运动方式的不同，STM有 两种工作模式：恒电流模式（a）和恒高模式（b）。
（a）恒电流模式
（b）恒高度模式
图 STM扫描模式示意图
恒电流模式：
扫描时，在偏压不变的情况下，始终保持隧道电
流恒定。
当给定偏压，并已知样品-针尖的平均功函数时，
隧道电流的大小仅决定于针尖-样品间的距离。
四、 扫描隧道显微镜的特点
与TEM、SEM等分析技术相比，扫描隧道显
微镜具有如下特点： 1）STM结构简单。 2）其实验可在多种环境中进行：如大气、超 高真空或液体（包括在绝缘液体和电解液中）。 3）工作温度范围较宽，可在mK到1100K范 围内变化。这是目前任何一种显微技术都不能同 时做到的。
扫描隧道显微镜试验
扫描隧道显微镜实验0730******* 材料科学系李旭晏摘要：本实验运用NanoFirst-1000型扫描隧道显微镜来观察一维及二维光栅样品，并探讨各参数即积分增益、比例增益和扫描角度对扫描图像的影响。
关键词：隧道效应扫描隧道显微镜针尖制备一维光栅二维光栅积分增益比例增益扫描角度一、实验原理1.隧道效应扫描隧道显微镜的原理就是基于量子力学中的隧道效应。
在经典物理中，当粒子的能量E小于前方势垒的高度V时，它是不可能穿越此势垒的，即透射系数为零。
但在量子力学的计算中，透射系数并不等于零，如图1。
也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这一现象就称为隧道效应。
其中，透射系数为：式中，E为粒子能量，V0为势垒高度，a为势垒宽度，m为粒子质量。
可见，随着势垒宽度a的增加，透射系数T是成指数衰减的。
这也就是宏观实验中为何观察不到隧道效应的原因。
而随着a的减小，透射系数T将会急剧增大，直到我们可以观察到隧道效应。
而扫描隧道显微镜正是应用了这一点。
若将针尖与样品表面作为两个电极，那么当它们之间的距离足够小（通常小于1nm）时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极。
穿越势垒的电子的定向移动就形成了所谓的隧道电流。
隧道电流的大小为：式中，Vb为加在针尖与样品之间的偏置电压，S为针尖与样品表面之间的距离，Φ为针尖与样品的平均功函数，A为一常系数，在真空条件下，A=1。
由上式可知，隧道电流I与针尖与样品表面之间的距离S是一一对应的。
通过隧道电流I的变化，便可以得出样品表面高低起伏的形貌信息。
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STM工作的基本原理。
2.STM工作模式STM共有两种工作模式，即恒高模式和恒流模式。
恒高模式，顾名思义，就是高度恒定，即针尖和样品的高度始终保持不变。
示意图如图2.随着样品表面的高低起伏，隧道电流的大小也将相应变化。
通过记录隧道电流的变化便可以得到样品的表面形貌信息。
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。
扫描隧道显微镜技术在纳米科技中的应用
扫描隧道显微镜技术在纳米科技中的应用纳米科技的发展已经改变了我们生活的方方面面。
纳米技术的研究和应用已经遍及各行各业。
从材料学到医药学，从电子学到能源，科学家们都在利用纳米技术来改善我们的生活质量。
随着纳米技术的成熟和发展，测量、观察纳米尺寸下的物质变得越来越重要。
其中，扫描隧道显微镜技术（Scanning Tunneling Microscopy, 简称STM）就是其中最为重要的生产设备之一。
一、扫描隧道显微镜技术的起源及原理介绍STM 是一种高精度、高分辨率的表面成像技术，具有最高达0.1 nm 的分辨率。
它是由物理学家Binnig和Rohrer在1982 年发明的。
STM 利用量子隧穿现象，将过程理论上建立在量子力学基础之上。
隧道现象是指在一定条件下，电子从一个电极的能级穿过有细微隙缝的氧化物，进入另一个电极的能级中。
STM 的工作原理就是利用样品表面和扫描探针间的电子隧穿效应进行成像。
二、扫描隧道显微镜技术在纳米材料制备及表面成像中的应用1、在纳米材料制备中的应用。
通过占据态与非占据态的电子密度差异，STM 可以实现单个原子和分子的成像和操作，成为纳米制造和纳米学科研究的基本分析工具，被广泛应用在新型纳米材料的开发和表征中。
2、在表面成像中的应用。
STM 的分辨率可以达到零点几纳米，在表面成像领域具有十分广泛的用途，在材料领域，可以察看材料表面微细结构、表面异相、晶界、界面等微观界面因素对材料力学性质、电性质、光学性质等性能的影响。
同时，可以观察到表面上的生物分子、化学分子、表面缺陷、原子峰、孔洞等等微观结构。
三、扫描隧道显微镜技术在纳米生物学及医药学中的应用STM 技术不仅能够成像材料表面的分子结构，也可以成像单个毒素分子结构，所以它在纳米生物学及医药学研究中也被广泛用到。
STM 可以实时、定量地监测生物分子的结构、电子属性和化学特性，达到纳米尺度下进行生物学研究的目的。
1、在纳米医学中的应用。
1 扫描隧道显微镜(STM)
1 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。
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时（通常小于1nm），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。
这种现象即是隧道效应。
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 和平均功函数Φ 有关：V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，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。
扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。
由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S 减小0.1nm，隧道电流I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏，见图1(a)。
将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。
对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。
这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。
（a）（b）从式可知，在V b和I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V z的变化。
如样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。
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这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、 热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。 近几年来在把 STM 与 AFM、FIM、LEED 等其他表面分析手段联用方面，也取得了可喜 的进展。目前，最小的 STM 仅为 1000mm×200mm×8mm，最大的扫描范围可达 100µm。 已召开了十几次 STM 国际会议，1993 年 8 月在北京召开了第七届 STM 国际会议，有中 国科学院化学所、清华大学等单位参加。 中国科学院化学所白春礼课题组于 1988 年初研 制成功计算机控制的 STM，该仪器由 STM 主体、控制电路、计算机、高分辨图形显示终 端等部分组成。具有恒定高度、恒定电流两种扫描模式，提供有 STM 形貌图、I-V 曲线、 局域势垒高度测量等功能。仪器水平分辨率<1?，垂直分辨率<0.1?，扫描范围 1nm×1nm~4.5µm×4.5µm。
原子力显微镜（AFM） 上一节已经简述了 STM 发明之后，纳米结构测试技术的发展。本节将进行略为详细的 讨论。1986 年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明了 AFM。这种新型的表面分析仪器是靠 探测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察表面结构的。它不仅可以观察导体 和半导体的表面形貌，而且可以观察非导体的表面形貌，弥补了 STM 只能直接观察导体 和半导体之不足。由于许多实用的材料或感光的样品是不导电的，因此 AFM 的出现也引 起了科学界的普遍重视。当时宾尼研制的第一台 AFM 的横向分辨率仅为 30 ?，1987 年斯 坦福大学的 Quate 等人报道他们的 AFM 达到了原子级分辨率。中国科学院化学所研制的 隧道电流法检测、微悬臂运动的 AFM 于 1988 年底首次达到原子级分辨率。运用该仪器对
10mm （10 倍时）
SEM
6~10nm
高真空
室温
小
1 µ m （ 10000
倍时）
FIM
原子级
超高 真 空 30～80K
有
原子厚度
从扫描隧道显微镜(STM)的工作原理可知，在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程
中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键 因素；针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到 STM 图象的分辨率，而且还关系到电 子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有 重要的参考价值。扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫 描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌，如 SEM、TEM、FIM 等。SEM 一般只能提供微米 或亚微米级的形貌信息，显然对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨 TEM 可以得到原子级的样品图象，但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难，而 且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有 FIM 能在原子级分辨率下观察扫描隧道 显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌，因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。 日本 Tohoku 大学的樱井利夫等人利用了 FIM 的这一优势制成了 FIM-STM 联用装置(研究 者称之为 FI-STM) [3] ，可以通过 FIM 在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针 尖的几何形状，这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验， 从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。
在有机分子结构的研究中，高分辨率的 扫描隧道显微镜(STM) 三维直观图象是一种极 为有用的工具。此法已成功地观察到苯在 Rh(111)表面的单层吸附，并显示清晰的 Kekule 环状结构。在生物学领域， 扫描隧道显微镜(STM) 已用来直接观察 DNA、重组 DNA 及 HPI-蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构。
尽管扫描隧道显微镜(STM) 有着 EM、FIM 等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器 本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面： 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。图 2 摘自对铂超细粉末的一个研究实例 [6] 。 它形象地显示了 扫描隧道显微镜(STM) 在这种探测方式上的缺陷。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。
扫描隧道显微镜(STM) 在化学中的应用研究虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广 泛。因为 扫描隧道显微镜(STM) 的最早期研究工作是在超高真空中进行的，因此最直接 的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科 的研究方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是因为电解池与 扫描隧道显微镜(STM) 装置的相似性所致。同时对相界面结构的再认识也是电化学家们长期关注的课题。专用于 电化学研究的 扫描隧道显微镜(STM) 装置已研制成功。
可以预测，对于许多溶液相的化学反应机理研究，如能移置到载体表面进行， 扫描隧 道显微镜(STM) 也不失为一个可以尝试的测试手段，通过它可观察到原子间转移的直接过 程。对于膜表面的吸附和渗透过程， 扫描隧道显微镜(STM) 方法可能描绘出较为详细的
机理。这一方法在操作上和理解上简单直观，获得数据后无需作任何繁琐的后续数据处理 就可直接显示或绘图，而且适用于很多介质，因此将会在其应用研究领域展现出广阔的前 景。
描隧道显微镜(STM) 问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法
来进行观测。而 扫描隧道显微镜(STM) 则是对样品表面进行无损探测，避免了使样品发
生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。另外，任何借助透镜来对光或其它辐射
进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制：光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸
可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起
伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度
守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。这种扫描方式的特点是扫
描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于 1nm
此外，在目前常用的有配备 FIM， 因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因 素。
尽管 扫描隧道显微镜(STM) 问世的时间很短，但经过各国科学家的努力， 扫描隧道显 微镜(STM) 技术已得到了迅速的发展，在许多方面显示出其独特的优点。相信随着 扫描 隧道显微镜(STM) 理论与技术的日臻完善， 扫描隧道显微镜(STM) 及其相关技术必将在 人类认识微观世界的进程中发挥越来越大的作用。 3 其他类似的检测仪器
小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而 扫描隧道显微镜(STM) 则能够轻而易
举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分辨率。表 1 列出了 扫描隧道显微镜(STM) 与
EM、FIM 的几项综合性能指标，读者从这些性能指标对比中可体会到 扫描隧道显微镜
(STM) 仪器的优点和特点。
表 1 STM 与 EM、FIM 的各项性能指标比较
0.1nm，隧道电流 I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，
并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就
反映出了样品表面的起伏，见图 1(a)。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏
或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式
继 1982 年发明在真空条件下工作的 STM 以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛 发展。1984 年 STM 先后用于在大气、蒸馏水、盐水和电解液环境下研究不同物质的表面
结构。后来，在 STM 的原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括： 原 子力显微镜（Atomic Force Micro-scope）简称 AFM。它可以直接观察原子和分子，而且用 途更为广泛，对导电和非导电样品均适用。AFM 也可以作为纳米制造的手段，目前，已 有一些成功的例子。 原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、 磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、 扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM） 和扫描超声显微镜等。
图 2 STM 恒电流工作方式观测超细金属微粒（Pt/C 样品） 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。
2. 扫描隧道显微镜(STM) 所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观 测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则 由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人 1986 年 研制成功的 AFM 可以弥补 扫描隧道显微镜(STM) 这方面的不足。