西安交大 物理仿真实验 扫描隧道显微镜
近代物理实验报告—扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（STM ）的原理及应用【摘要】本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，掌握用电化学腐蚀钨丝的方法制备扫描隧道显微镜的针尖，并用所制作的钨探针扫描石墨样品，获取石墨样品的原子分辨像。
再结合石墨的六角晶格结构和晶格常数，对石墨表面图像进行处理分析，计算x 、y 方向压电陶瓷的电压灵敏度为15.74 Å/V ，并分析了扫描图像效果的差影响因素。
【关键词】扫描隧道显微镜、隧道效应、探针、粗逼近一、引言：扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy ，简称STM ）是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一，它由IBM 公司的Binning 博士、Rohrer 博士及其同事于1982年研制成功，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。
但STM 也有明显的缺点：由于原子波函数的叠加，STM 在恒电流的工作模式下对样品表面的某些沟槽不能准确探测，与此相关的分辨率较差；另外，STM 所观察的样品必须有一定的导电性，对于半导体，观察效果就差于导体，而对于绝缘体则根本无法观察。
不过，在STM 之后衍生的原子力显微镜、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在很大程度上弥补了STM 的不足，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。
物理实验技术中的扫描隧道显微镜操作指南
物理实验技术中的扫描隧道显微镜操作指南引言：物理实验技术的发展带给我们许多强大而精确的工具，其中扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种重要的实验仪器。
STM能够以原子尺度分辨率观察材料表面的拓扑结构和电子特性，因此在纳米科学和纳米技术的研究方面起着重要作用。
本文将为初学者提供一份关于扫描隧道显微镜操作的指南。
一、前期准备1. 清洁实验环境：由于STM对干净环境的要求极高，操作前需要将实验室环境保持整洁，排除尘埃和任何可能引入干扰的因素。
2. 样品准备：选择适当的样品，并且确保它是平坦而干净的。
疏散样品周围的空气中的颗粒物将有助于保持表面的洁净度。
二、扫描隧道显微镜操作步骤1. 安装准备将STM安装在一个稳定的操作台上，并确保它与其它设备的隔离。
连接所有的电缆，并确保电源正常。
2. 校准系统使用标准校准样品（例如金属和晶化硅）对STM系统进行校准，以确保其工作正常并获得准确的测量结果。
3. 选择适当的探针根据实验需求，选择合适的扫描探针。
不同的探针形状和尖端结构对于样品的表面特性和拓扑结构观察具有不同的影响。
4. 样品加载使用样品夹将样品固定在STM样品台上，并确保样品与探针之间有适当的距离。
5. 调整探针和样品之间的隧道电流通过调整隧道电流和样品高度，优化STM的工作条件，以便于准确测量样品表面的原子形貌。
6. 开始扫描使用STM控制软件启动扫描程序，并设置扫描区域和扫描速度。
观察图像时要保持稳定，以避免扫描时的晃动。
7. 数据处理通过相关软件对获得的结果进行数据处理和分析，提取有关样品表面特性的信息。
8. 知道要解决的问题在进行扫描隧道显微镜操作之前，要明确研究的问题。
根据实验目标合理规划实验方案，并记录实验条件和结果。
三、常见问题和解决方法1. 样品破损当样品不够稳定时，可能存在破损的风险。
解决办法是经常检查样品的位置，并调整样品夹以确保其稳定性。
扫描隧道显微镜技术在物理实验中的应用教程
扫描隧道显微镜技术在物理实验中的应用教程随着科学技术的快速发展，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）在物理实验中的应用越来越广泛。
本文将以教程的形式，介绍STM技术在物理实验中的应用。
一、STM技术的基本原理STM是一种利用量子力学效应的显微镜，它基于隧道效应来研究材料的表面形貌和电子结构。
其基本原理是利用一根非常尖锐的探针，通过调节探针和待测物体之间的距离，从而在表面上扫描来实现纳米级的精度。
二、STM的装置及操作步骤1. 准备工作进行STM实验前，需要清洁实验环境并确保实验室的温度、湿度等环境条件符合要求。
同时，需要准备一个待测的物体样本，并在实验装置中安置该样本。
2. 调整仪器参数首先，将电子学部分的所有参数恢复到初始状态，然后按照实验要求调整扫描仪的参数，包括扫描范围、速度以及扫描模式等。
一般来说，扫描范围在几十纳米至几百纳米之间。
3. 定位探针在STM实验中，选择一根足够尖锐的探针非常重要。
将探针的尖端靠近待测样本表面，并用微调仪器逐渐接近，直到观察到探针和表面之间的隧道电流。
此时，探针即可被认为已经定位正确。
4. 调整扫描参数根据实验要求，调整扫描参数是实验中的关键步骤之一。
通过改变扫描参数，可以获得不同精度和分辨率的图像。
例如，增大扫描速度可以获得较快的成像结果，但牺牲了图像的精确度。
5. 开始扫描在调整好所有参数后，即可开始实际的扫描。
通过调节扫描电压和电流，控制探针与样本表面的距离，从而实现对样本表面形貌和电子结构的扫描。
三、STM技术在物理实验中的应用案例1. 材料表面分析利用STM技术可以观察到各种材料的表面形貌，精确到纳米级别。
通过观察表面的原子排列和结构，可以获得有关材料物理性质的重要信息，如晶体结构、表面缺陷等。
2. 分子结构研究在化学领域中，STM经常被用于研究分子结构。
通过在样本表面浸润分子物质，并用STM观察分子的排列方式和化学键的形成情况，可以获得分子结构的重要信息。
西安交通大学大学物理仿真实验
大学物理仿真实验偏振光的观察与研究姓名：班级：学号：实验原理：1．偏振光的概念和产生：2．改变偏振态的方法和器件：常见的起偏或检偏的元件构成有两种：1.光学棱镜。
如尼科耳棱镜、格兰棱镜等，它是利用光学双折射的原理制成的；2.偏振片。
它是利用聚乙烯醇塑胶膜制成，它具有梳状长链形结构分子，这些分子平行排列在同一方向上，此时胶膜只允许垂直于排列方向的光振动通过，因而产生线偏振光.马吕斯定律：马吕斯在1809年发现，完全线偏振光通过检偏器后的光强可表示为I1 = I0 cos2α，其中的 是检偏器的偏振方向和入射线偏振光的光矢量振动方向的夹角：波晶片：又称位相延迟片，是从单轴晶体中切割下来的平行平面板，由于波晶片内的速度v o ,v e不同，所以造成o光和e光通过波晶片的光程也不同.当两光束通过波晶片后o 光的位相相对于e光多延迟了Δ=2π(n0-n1)d/λ，若满足(n e-n o)d=±λ/4，即Δ=±π/2我们称之为λ/4片，若满足(n e-n o)d=±λ/2，即Δ=±π，我们称之为λ/2片，若满足(n e-n o)d=±λ，即Δ=2π我们称之为全波片。
3．借助检偏器和λ/4波晶片检验光的5种偏振态：1. 只用检偏器（转动）：对于线偏光可以出现极大和消光现象。
对于椭圆偏光和部分偏光可以出现极大和极小现象。
对于圆偏光和非偏光各方向光强不变。
2. 用λ/4波晶片和检偏器（转动）：对于非偏光（自然光）各方向光强不变。
对于圆偏光出现消光现象（原因）。
对于部分偏光仍出现极大和极小现象。
对于椭圆偏光，当把λ/4波晶片的快慢轴放在光强极大位置时出现消光现象（原因）。
检验偏振光的光路实验内容：1.研究λ/4波片对偏振光的影响：本实验所用仪器有：光源、偏振片(2个)、λ/4波片、光屏等。
光路图（1）按光路图使偏振片A和B 的偏振轴正交(消光)。
然后插入一片λ/4波片C(实际实验中要使光线尽量穿过元件的中心)。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜【摘要】本实验利用化学腐蚀法制作STM 针尖，再利用所得针尖进行恒电流模式扫描，以得出样品高定向热解石墨（HOPG ）的扫描图像，经过图像除干扰处理，最后得出电压灵敏度分别为21.20(ÅV ⁄)和29.35(ÅV ⁄)。
【关键词】STM ，恒电流，扫描【引言】扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，简称为STM 。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特征成为可能,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，是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一。
【实验原理】扫描隧道显微镜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。
它是用一个极细的尖针，针尖头部为单个原子去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近，即小于１纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。
此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级１０Ａ的隧道电流。
通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关表面信息记录下来。
如图1所示，φ0为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，则该粒子穿透厚度为z 的势垒几率P 可用下式表示：P (z )∝e −2kz，其中k =1ℏ√2m (φ0−E )。
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置电压的针尖。
当图 1 典型矩形势垒的隧穿几率函数样品和探针的距离非常近时，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，通过记录隧道电流的变化就可以得到有关样品表面的形貌信息。
而隧道电流可用下式表示：I=V b exp(−AΦ12s)其中，V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ≈12(Φ1+Φ2)，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.STM针尖工作方式可分为恒高和恒电流两种模式。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验13应用物理（1）班杨礴2013326601111一、实验目的1.学习扫描隧道显微镜的原理和结构2.学习利用扫描隧道显微镜观察样品的表面形貌二、实验原理扫描隧道显微镜（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：Vb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。
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密度的分布。
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。
从式可知，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。
西安交通大学大学物理仿真实验报告
西安交通大学大学物理仿真实验报告-—核磁共振实验名称：核磁共振。
实验目得:观察核磁共振稳态吸收现象，掌握核磁共振得实验原理与方法，测量1H与19F得γ值与ｇ值。
实验仪器：核磁共振仪，样品(水与聚四氟乙稀）,磁铁得实验平台。
实验原理：核磁共振就是磁矩不为零得原子核，在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂,共振吸收某一定频率得射频辐射得物理过程.核磁共振波谱学就是光谱学得一个分支，其共振频率在射频波段，相应得跃迁就是核自旋在核塞曼能级上得跃迁。
从经典力学观点瞧，具有磁矩μ与角动量P得粒子,在外磁场B0中受到一个力矩L得作用:Ｌ＝μ×B0此力矩使角动量发生变化：dＰ/dt＝L故dμ/dｔ＝?μ×Ｂ0若B0就是稳恒得且沿Z方向，则上式表示μ绕B0进动，进动频率ω0=?Ｂ0，若在_Ｙ平面内加一个旋转场B1，其旋转频率为ω0，旋转方向与μ进动方向一致，因而μ也绕B１进动,结果使?角增大,表示粒子从B1中获得能量。
如果实验时外磁场为B０,在该稳恒磁场区域又叠加一个电磁波作用于氢核，如果电磁波得能量hｖ0恰好等于这时氢核两能级得能量差B0gNμN，即 hv0=Ｂ0gNμN ,即有ｇN ＝,从而得其中μN ＝５、05＊10—27 J·T—1=5、0５_１0-23 J·G—1，用扫场法测量时，共振条件在调制场得一个周期内被满足两次,所以在示波器上观察到有两个峰得共振吸收信号.此时若调节射频场得频率,则吸收曲线上得吸收峰将左右移动.当这些吸收峰间距相等时，则说明在这个频率下得共振磁场为B0。
实验内容：(１）观测1Ｈ得核磁共振信号。
样品用纯水，先找出共振信号,再分别改变得大小,观察共振信号位置，形状变化.(2)观测１H与?N，gN分别记录下六组不同磁铁间矩d时所对应得以及相应得共振频率ν，再计算?N，ｇN(3）测量19Ｆ样品用聚四氟乙稀,分别记录下三组不同磁铁间矩d时所对应得以及相应得共振频率ν，再计算?N,gN实验过程及原始数据:同样得方法，测量六组数据，得到如下表格:项目d/mｍv/kHｚB/_１０4T10、181４23635２910、３9１40７3３４９410、67１37763４46１1、1332７33341１、651３1５33280改用外扫法,如图：记录数据如下:项目ｄ/mmv/kHｚB/_１0４T1０、10、3314０７８349910、651３7６634４911、1１、291331833351１、5５13１54３２82再测1９F得g与Y。
扫描隧道显微镜
1. 扫描
VI. 具体应用
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度
空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有
极高的空间分辨率，可以进行科学观测。
2. 探伤及修补
STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对 表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺 陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断 连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用
子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微 镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样 品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒 电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通 过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流 的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统 来实现的。
扫描隧道显微镜下图：
X射线光电子能谱(XPS)等只能提供空间平均的电子结构信 息；
扫描隧道显微镜概述
1982年IBM公司苏黎世研究所Gerd Binning 和Heinrich Rohrer研制第一台扫描隧道显微 镜（Scanning tunneling microscope, STM）;
第一次直接观察到物质表面上单个原子及其排 列状态，并能研究其相关物理和化学特性;
2.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。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特 点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显
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 即显示出样品的表面形貌。
扫描隧道显微镜实验-大学物理实验
图 8.3
扫描隧道显微镜的传动系统
图 8.4 恒定电流的扫描模式
待测样品被放置在非常靠近针尖的地方（约 1nm） 。如果在针尖和样品间加上一个很低的电 压（U~0.1V） ，在针尖和样品间就会有微弱电流流过（I~1nA） ，我们称之为“隧道电流” ，它是一 种量子效应， 它的大小与针尖和样品间的距离呈指数关系， 距离靠的越近， 隧道电流增加的越快。 由于隧道电流与针尖和样品的间距有这种特殊的“依赖”关系，我们可以利用隧道电流精确 的控制针尖的移动。常用的扫描模式有两种： 1． 恒定电流模式 如图 8.4 所示。在这种模式中我们通过一个电流反馈系统，保持针尖与样品间的电流不变， 而针尖则随着样品表面的的起伏而移动的，针尖位置变化就反映了样品表面的起伏。记录针尖位 置的变化，就可以在计算机上同时将原子表面的形貌显示出来。 2． 恒定间距模式 固定针尖和样品间的距离， 针尖移动时，隧道电流的大小随样品表面的起伏而变化，记录 隧道电流，同样可以在计算机上将原子表面的形貌显示出来。 三、实验准备 注意事项： 1 不要用手直接去触摸铂金丝制作的针尖； 2 不要用手直接去触摸样品的表面，取样品时，请拿它的黑色塑料头； 3 不要用手随便打开扫描头部分。 1． 扫描针尖的制备和安装 实验开始前要自己制备扫描针尖，针尖的制备是整个实验过程中最困难的一步，它制备的好 坏将决定实验能否正常进行。制备针尖需要有一定的耐心和实践经验。制备的方法如下： 1） 首先用乙醚清洁过的镊子夹起铂金丝，放入左手的扁嘴钳内夹住， ； 2） 保持左手的扁嘴钳夹住铂金丝，利用特制的切断器（wire cutter）将铂金丝切下 5mm； 3） 用左手的扁嘴钳夹住切下的 5mm 铂金丝， 将切断器尽量斜的接触铂金丝， 如图 8.5 所示；
测量时，样品必须尽可能的靠近针尖，这样“隧道电流”才可能流动。样品最大限度的接近 针尖，同时又不碰上，是一个非常细致的操作，这一过程有三种情况： LED 桔黄色 此时针尖与样品间的距离非常大，无“隧道电流” ； LED 红色 LED 绿色 此时针尖与样品相撞， “隧道电流”太大； 样品在测量范围内，有“隧道电流”通过。
西安交大大物仿真实验
大物仿真实验报告班级：****学号：****姓名：****刚体的转动惯量一实验目的1．用实验方法验证刚体转动定律，并求其转动惯量；2．观察刚体的转动惯量与质量分布的关系3．学习作图的曲线改直法，并由作图法处理实验数据。
二实验原理1．刚体的转动定律具有确定转轴的刚体，在外力矩的作用下，将获得角加速度β，其值与外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比，即有刚体的转动定律：M = Iβ (1)利用转动定律，通过实验的方法，可求得难以用计算方法得到的转动惯量。
2．应用转动定律求转动惯量如图所示，待测刚体由塔轮，伸杆及杆上的配重物组成。
刚体将在砝码的拖动下绕竖直轴转动。
设细线不可伸长，砝码受到重力和细线的张力作用，从静止开始以加速度a下落，其运动方程为mg –t=ma，在t时间内下落的高度为h=at2/2。
刚体受到张力的力矩为T r和轴摩擦力力矩M f。
由转动定律可得到刚体的转动运动方程：T r - M f =Iβ。
绳与塔轮间无相对滑动时有a =rβ，上述四个方程得到：m(g - a)r - M f = 2hI/rt2 (2)M f与张力矩相比可以忽略，砝码质量m比刚体的质量小的多时有a<<g，所以可得到近似表达式： mgr = 2hI/rt2 (3)式中r、h、t可直接测量到，m是试验中任意选定的。
因此可根据（3）用实验的方法求得转动惯量I。
3．验证转动定律，求转动惯量从（3）出发，考虑用以下两种方法：A．作m – 1/t2图法：伸杆上配重物位置不变，即选定一个刚体，取固定力臂r和砝码下落高度h，（3）式变为：M = K1/ t2 (4)式中K1 = 2hI/gr2为常量。
上式表明：所用砝码的质量与下落时间t的平方成反比。
实验中选用一系列的砝码质量，可测得一组m与1/t2的数据，将其在直角坐标系上作图，应是直线。
即若所作的图是直线，便验证了转动定律。
从m – 1/t2图中测得斜率K1，并用已知的h、r、g值，由K1 = 2hI/gr2求得刚体的I。
物理仿真实验_扫描隧道显微镜
物理仿真实验报告——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．实验原理原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体.人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，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）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率——0.1nm，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．场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，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.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，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究．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 0．1nm 和0．01 nm，即可以分辨出单个原子．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，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)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，以及由吸附体引起的表面重构等．4)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．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。
西安交通大学大学物理仿真试验
西安交通大学大学物理仿真试验实验题目：用单摆测量物体重力加速度2140504096 自动化44 滕家伟一、实验简介单摆实验是个经典实验，许多著名的物理学家都对单摆实验进行过细致的研究。
本实验的目的是进行简单设计性实验基本方法的训练，根据已知条件和测量精度的要求，学会应用误差均分原则选用适当的仪器和测量方法，学习累积放大法的原理和应用，分析基本误差的来源，提出进行修正和估算的方法。
二、实验原理1、单摆的一级近似的周期公式为由此通过测量周期T,摆长l求重力加速度.2、不确定度均分原理在间接测量中，每个独立测量的量的不确定度都会对最终结果的不确定度有贡献。
如果已知各测量之间的函数关系，可写出不确定度传递公式，并按均分原理，将测量结果的总不确定度均匀分配到各个分量中，由此分析各物理量的测量方法和使用的仪器，指导实验。
一般而言，这样做比较经济合理。
对测量结果影响较大的物理量，应采用精度较高的仪器，而对测量结果影响不大的物理量，就不必追求高精度仪器。
三、实验仪器1、单摆仪实际照片和程序中的显示操作提示：拖动摆球让摆球摆动用鼠标左键或者右键点击摆线末端的旋钮来增大或者减小摆线长2、游标卡尺实际照片和程序中的显示操作提示：可以拖动副尺部分，改变测量卡口张开的大小可以用鼠标左键或者右键点击锁定旋钮，来锁住或者解锁副尺3、螺旋测微器实际照片和程序中的显示操作提示：鼠标左键或者右键点击转轴可以向上或者向下旋转转轴鼠标左键或者右键点击锁，可以锁定或者解锁4、电子秒表实际照片和程序中的显示操作提示：鼠标点击开始暂停按钮可以开始或者暂停计时鼠标点击复位按钮可以对秒表复位5、米尺实际照片和程序中的显示操作提示：用鼠标拖动左侧全景图中的白色区域，改变右侧放大区域对应的位置在右侧图中拖动米尺，可以改变米尺位置四、实验内容1、用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度g.设计要求:(1) 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.(2) 写出详细的推导过程,试验步骤.(3) 用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g < 1%.可提供的器材及参数:游标卡尺,米尺,千分尺,电子秒表,支架,细线(尼龙线),钢球,摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制),天平(公用).假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s;米尺精度△米≈0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s.2、. 对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.五、实验数据记录3、单摆长度L=90.50cm六、实验数据处理及分析g=4π2l/T2=4×3.14²×0.9146/(1.925)²≈9.75 N/kgE=∆g=0.05×100%=0.5%误差分析：实验中单摆的长度测量和周期测量的误差会使实验结果有误差，单摆长度偏长，g偏大，单摆长度偏短，g偏小，周期偏大，g偏小，周期偏小，g偏大。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告----------许亚娜 08180209【摘 要】： 通过用扫描隧道显微镜对石墨的表面形貌进行观测，加深对扫描显微镜的工作原理的了解、熟悉扫描显微镜的使用步骤和注意事项。
以及了解在测量时对图像影响的因素。
【关键词】： 扫描隧道、针尖、隧道电流【引 言】：扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM 。
它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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。
实验整体过程的介绍：先简单介绍一起各部分的工作原理隧道电流：扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应．对于经典物理学来说，当一粒子的动能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，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。
在量子力学理论中，电子具有波动性，其位置是弥散的，在()V r E >的区域，薛定谔方程：()()()()22/2r h m V V r r e ψ⎡⎤-+ψ=⎣⎦的解不一定是零（如果V 不是无限大的话）。
因此一个入射粒子穿透一个()V r E >的有限区域的几率是非零的，所以物质表面上的一些电子会散逸出来，在样品四周形成电子云。
在导体表面上之外空间的某一位置发现电子的几率会随这个位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。
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误差分析：
1. 仪器本身的系统误差。 2. 可能由于实验仪器对于隧道电流的分辨率问题导致形貌图和本身原子排列有偏差。 3. 在调节计算机软件相关参数时出现的偏差
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七．思考题
1.扫描隧道显微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？ 答: 根据隧道电流
S为针尖与样品距离，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。 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这个现象称为隧道效 应。 2.扫描隧道显微镜主要常用的有哪几种扫描模式？各有什么特点？ 答： 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。 恒电流模式：如图（a）所示
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物理仿真实验报告 扫描隧道显微镜
XX 班 XX XXX
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一.实验目的
1. 2. 3. 4. 学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构； 观测和验证量子力学中的隧道效应； 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； 学习用计算机软件处理原始图象数据。
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x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面 凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧 道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得 到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的 样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。 恒高度模式：如图(b)所示
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(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，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Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数
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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。隧道探针一 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的导电性才 可以产生隧道电流。
2. 扫描隧道显微镜的工作原理
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。 扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。
恒高度模式：如图(b)所示
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在扫描过程中保持针尖的高度不变， 通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信 息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。
三．实验仪器
STM 扫描隧道显微镜，STM 控制器，STM 控制软件
STM 扫描隧道显微镜
STM 控制器
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恒电流模式：如图（a）所示
x-y 方向进行扫描，在 z 方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表 面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧 道电流的恒定。 将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来， 就得到 了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。 此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品， 而且可以通过加在 z 方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。
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3)
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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． 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．
6)ห้องสมุดไป่ตู้
1. 隧道电流
扫描隧道显微镜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1)这个现象称为隧道效应。
STM 控制软件
四．实验操作方法
1. 2. 3. 4. 打开软件。 单击鼠标右键弹出菜单，选择“开始实验” 。 单击鼠标右键，选择“操作 STM” 。 在样品承载台上单击鼠标左键，选择合适的样品(高序石墨)。
5. 鼠标点击承载台下面的调节旋钮进行调节，让针尖尽量接近样品表面，注意不要 损坏针尖。 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 双击 STM 控制器，单击电源按钮，打开 STM 控制器开关。 双击电脑，打开 STM 控制软件。 打开“Z 高度”和“马达高级控制面板” 。 点击“连续进” ，找到扫描控制区。 使用“单步进” ，让 Z 高度电流稳定在-30 – 30V 之间。 关闭高级马达控制面板，点击“新建高度图像” 。 设置“高度控制”的显示范围为 1nm， “扫描控制面板”的扫描范围为 5nm。 点击“开始/停止扫描图像” ，即可扫出高序石墨的原子图谱。
二．实验原理
原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还 只是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视 觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得 光学显微镜的分辨率只能达到10-7m 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，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）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达 到原子级的分辨率——0.1nm，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． 场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，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.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 只限于对晶体或周期结构的样品进行研究． 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 0．1nm 和 0．01 nm，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。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． 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． 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。
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在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信 息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。 3.仪器中加在针尖与样品间的偏压是起什么作用的？针尖偏压的大小对实验结果何影响？ 答: 根据公式
Vb为起偏电压，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，形成隧道电流 ，从而根据不同位置隧道电流和探针与物品距离的上述关系绘出表面三维形貌图。 只有在一定的条件下，隧道效应才会显著，根据上面的公式，由于仪器电流大小分辨率 的限制，在针尖偏压Vb较大的情况下，隧道电流改变比较明显，可以绘出更精细，分辨率 更高的表面形貌图。 4. 实验中隧道电流设定的大小意味着什么？ 答: 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。
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五．实验结果和数据处理
调节针尖位置
打开 STM 控制器开关
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打开 STM 控制软件调节各种参数后：
高序石墨扫描图像：
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六．实验结论和误差分析
实验结论：
通过扫描隧道显微镜的命名出发了解了其基本原理，从本质上理解了扫描隧道显微镜的 作用，实验中在一步步的摸索中明白了每一步实验步骤的目的。运用具有原子分辨率的实 验仪器观察了高序石墨的表面形貌，使我们有机会通过自己的努力获得原子排列图