扫描隧道显微镜

STM工作原理
隧道效应
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。
"... I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics"
Richard P. Feynman

In classical physics e flows are not possible without a


STM应用

扫描探针显微镜在光盘、磁盘的表面结构分析中 也获得了广泛的应用。
此外，扫描探针显微镜还可以用于修整材料缺陷， 改变材料特性，或是修整电子器件，从而使材料 和电子器件的特性达到最佳化。 美国能源部实验室的科学家卡兹墨斯基借助于原 子加工显微镜在材料表面掺杂后，N型材变成了P 型材料





STM应用

原子操纵 扫描探针显微镜所提供的单个原子、分子的操纵手段还可 能导致原子级的计算机开关器件的诞生。 相当方便面地移走材料表面的某一种原子和搬来另一种原 子，从而形成一种新材料。这一切在数分种内就可以完成。 这种显微镜最激动人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的 计算机和毫微芯片。
合成橡胶缓冲垫
金属板
橡胶垫
弹簧悬挂
STM的应用微电子学研究

微电子器件的制造过程中
能在不接触表面的情况下绘制出电子元件 表面图象，不论这些元件的组成成份如何， 这对监督和改进亚微米集成电路的工艺具 有突出的作用。

具有不损伤器件的特点以及高的空间分辨 率
STM应用

基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术 （Nanolithgraphy）。
direct connection by a wire between two surfaces On an atomic scale a quantum mechanical particle behaves in its wave function. There is a finite probability that an electron will “jump” from one surface to the other of lower potential.
STM扫描模式—恒流模式
y
z
VT , I r
反馈回路
x
S
(a)
恒电流模式 Vz (Vx ,Vy ) z( x, y)
初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就 会向后退，以保持隧道电流的值不变；反之，当样品表面凹 进时，反馈系统将使得针尖向前移动。计算机记录了针尖上 下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维形貌。

STM tip: atomically sharp needle and terminates in a single atom

Pure metals (W, Au) Alloys (Pt-Rh, Pt-Ir) Chemically modified conductor (W/S, Pt-Rh/S, W/C…) cut followed by electrochemical etching
米的位移。
+x电极
电子学控制系统
STM头部
压电陶 瓷扫描 管
控制箱
XY
PC 机
控制
A / D多 功能卡
自动 控制
前放
Z
针尖偏压
步进马达
马达驱动
TIL
STM技术中主要问题之一：针尖的制备
针尖的大小、形状和化学同一 性不仅影响着图象的分辨率和
图象的形状，而且也影响着测
定的电子态。如果针尖的最尖 端只有一个稳定的原子而不是 有多重针尖，那么隧道电流就 会很稳定，而且能够获得原子


STM仪器的基本构成
支 架
针尖驱动机构 针尖 样品
电子学系统
计算机 减震系统 图4 STM基本构成
三维扫描控制器
y z电极
使用压电陶瓷材料作为 x 、 y、z扫描控制器件，它们 能以简单的方式将 1mV100V 的电压信号转换成 十几分之一纳米到几微
x
+y电极 -y电极 -x电极 (背面）
STM扫描模式—恒高模式
y
x
(b) 恒高度模式
ln I (Vx ,Vy ) z( x, y)
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。
（ 1 ）ＳＴＭ实验装置是用压电陶瓷扫描单元来控制针尖在
样品表面Ｘ、Ｙ和垂直于表面的Ｚ方向作三维运动，从而实 现对样品表面形貌的测量。 （ 2 ）恒高度和恒电流分别适用于对平坦表面和起伏较大表 面的测量。 （ 3 ）应当指出，ＳＴＭ图象所反映的不是精确的样品表面 原子的实际位置，而是原子实际位置与表面电子局域态密度
级分辨率的图象。
The second tip shown above is recessed by about two atoms and thus carries about a million times less current. That is why we want such a fine tip. If we can get a single atom at the tip, the vast majority of the current will run through it and thus give us atomic resolution.


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。产生的电流叫隧道电流。
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 a
和平均功函数Φ有关。
I Vb exp( A a)
扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope)
由单个原子构成 的“IBM”字样
前
言
人类文明的发展过程实际上就是人类认识世界、改造世
界和利用世界的史诗。也可以说，人类的一切知识都来自于
其周围的客观世界。古代先贤也讲：格物致知。物者，即客 观世界也。 观察是人类认识世界的第一步，然后才是思考， 总结和归纳。 人类对客观世界认识的程度（广度和深度）极大地依赖
NOTE
(1) A STM does not measure nuclear position
directly. Rather it measures the electron density
clouds on the surface of the sample.
(2) In some cases, the electron clouds represent the atom locations pretty well, but not always.
G. Binnig
H.Rohrer
The STM is an electron microscope that uses a single atom tip to attain atomic resolution.

Binnig also invented the Atomic Force Microscope (AFM) at Stanford University in 1986.
的综合结果。
（4）从前式可知，在Vb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Vz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


Preparation of tips: cut by a wire cutter and used as is
Electrochemical etching of tungsten tips. A tungsten wire, typically 0.25 mm in diameter, is vertically inserted in a solution of 2M NaOH. A counter electrode, usually a piece of platinum or stainless steel, is kept at a negative potential relative to the tungsten wire. The etching takes a few minutes. When the neck of the wire near the interface becomes thin enough, the weight of the wire in electrolyte fractures the neck. The lower half of the wire drops off.
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)不能区分这两个因素
Basic Set-up

the sample you want to study a sharp tip mounted on a piezoelectric crystal tube to be placed in very close proximity to the sample a mechanism to control the location of the tip in the x-y plane parallel to the sample surface a feedback loop to control the height of the tip above the sample (the z-axis)