扫描隧道显微镜浅谈
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．
法医学中的法医扫描隧道显微镜技术与扫描隧道显微解剖学
法医学中的法医扫描隧道显微镜技术与扫描隧道显微解剖学法医学作为法律与医学相结合的领域，旨在通过科学手段解决法律争议。
在法医学的众多技术手段中，法医扫描隧道显微镜技术和扫描隧道显微解剖学是具有重要意义的方法之一。
一、法医扫描隧道显微镜技术法医扫描隧道显微镜技术（Forensic Scanning Tunneling Microscopy，简称FSTM）是一种基于扫描隧道显微镜原理的高分辨率显微镜技术，可用于观察微观尺度上物质的形貌与结构，对法医学研究具有广泛应用。
1. 原理及特点FSTM利用扫描隧道显微镜的原理，通过将样本移动于探针尖端与样品之间形成的隧道间隙中，利用隧道效应来获取影像。
与传统光学显微镜相比，FSTM能够提供更高的分辨率，可达到纳米级甚至更高的精度。
同时，FSTM还可进行原子结构的成像，对微观尺度上痕迹物证的分析提供了有力的手段。
2. 应用领域在法医学中，FSTM被广泛应用于各个领域。
例如，在痕迹分析中，FSTM可用于观察指纹纹理与结构，帮助鉴定与比对指纹信息。
此外，FSTM还可用于鉴定文档的真伪，通过观察字迹的微观结构来判断是否存在篡改。
此外，FSTM还可应用于纤维质量分析、毒物学研究等领域。
二、扫描隧道显微解剖学扫描隧道显微解剖学（Scanning Tunneling Microscopic Anatomy，简称STMA）是通过扫描隧道显微镜观察人体组织与细胞结构的学科。
在这一领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于解剖学研究与法医学实践中。
1. 观察人体结构扫描隧道显微解剖学通过扫描隧道显微镜观察人体组织与细胞结构，可以提供更高的分辨率和更详细的结构信息。
例如，STMA可用于观察器官的细胞构成、细胞器的形态与排列，帮助科学家更好地理解人体组织的结构。
2. 法医学应用在法医学实践中，STMA被广泛应用于尸体解剖和伤病鉴定等领域。
通过观察受害者体内的细胞结构与损伤情况，可以帮助法医学家确定死因、判断死亡时间以及分析可能的伤害原因。
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。
扫描隧道显微镜的工作原理与应用
扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。
它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。
STM具有非常高的分辨率，能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵，因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。
隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。
在STM中，金属探头和样品之间形成一个电势差，并使用一个反馈电路来保持电流恒定。
隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。
探头与样品之间的距离非常小，约为几个纳米，隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。
当探头在样品表面上移动时，由于样品表面具有不同的高度和电性特征，因此隧穿电流的大小也会发生变化。
这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息，然后通过计算机处理并呈现出来。
样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。
二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域，如表征材料表面和分析材料电子结构等。
在纳米材料研究中，STM可以检测材料中的特定原子和分子，并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。
B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。
它可以研究各种表面效应，例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。
此外，STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。
C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。
纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。
通过STM可以定量地观察单个原子和分子，这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。
D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。
在生物领域，STM可用于研究DNA分子的结构和功能，以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。
E.电子学STM还可以用作电子学中的电极，例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。
扫描隧道显微镜--20世纪重大科技成果之一
扫描隧道显微镜20 世纪重大科技成果之一关键词：扫描隧道显微镜隧道效应分辨率控制电路摘要：扫描隧道显微镜是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用，来测量表面原子结构和电子结构的显微新技术，它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命．扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelins Microscopy 以下简称STM）是20 世纪80 年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构．1981 年在IBM 公司瑞士苏黎世实验室工作的G．宾尼希（G．Binning ）和H．罗雷尔（H．Rohrer）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象．这一发明使显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用．为此G．宾尼希和H．罗雷尔于1986 年被授予诺贝尔物理奖．1．显微镜的历史人类观察微小物体的历史是从放大镜开始的，然后进人光学显微镜时代．据说世界上第一台光学显微镜是荷兰的眼镜师詹森父子于1590 年偶然发明的．詹森父子制造的显微镜是一支可以伸缩的管子，在它的两头各放了一片凸透镜，当管子的长短调节得合适的距离，用它可以看清很小的物体．在当时人们仅是把他制作了这种管子当作玩具，并没有用到科学研究上．直到十七世纪中叶，才真正认识到显微镜发明的科学意义，人们竞相利用显微镜观察微观世界，并给生物学带来了划时代的进步．尤其是英国物理学家罗伯特·胡克（R．Hooke 1635 一1703），使用自制的显微镜观察生物，并于1665 年出版了《显微镜图集》．为了提高放大率，人们必须增加透镜的数目，但随着透镜数目的增加，便遇到了透镜像差．所谓透镜的像差，就是经过透镜所成的像会产生畸变、弯曲或延展等缺陷，当放大率增大时，透镜的这些缺陷也随之扩大，物象也就变得模糊起来，这样就失去了增大放大率的真实意义．十八世纪中叶，德国数学家欧拉（L．Euler 1707—1783）和英国光学家J·多隆特（J．Dellond 1706 —1761）等人发现了用不同的玻璃制作的透镜加以组合消去色差的办法，这一发现促进了对光学玻璃的研究．到了十九世纪中叶，光学显微镜的放大率已达到l000 到1500 倍左右；人们发现，如果再提高显微镜的放大率，映像将变得极不清晰，这就说明光学显微镜的放大本领有一个难以超越的极限．那么，光学显微镜的性能为什么会有这个难以超越的极限呢？决定这个极限的因素是什么？德国耶拿大学的阿贝（E．Abbe 1840—1905）从波动光学的基础对显微镜的映像理论进行了分析，他认为：问题并不在于显微镜本身，而起因于作为成像媒介的光波．光线是具有一定波长的光波，光波遇到粒子会产生衍射效应．当粒子小于光的波长时，光波将绕过粒子，因而不产生粒子的阴影，我们也就看不清粒子的像．光学显微镜是用可见光来观察物体的，由于光的波动性产生的衍射效应使光学显微镜的分辨极限只能达到光波的半波长左右，确切的表达式为：0.61d （1）N sin其中λ为波长，α为物镜的孔径角，N 为折射率， d 为最小可分辨长度．显然在可见光范围内 d 的最小值约为0．3 μm．阿贝从理论上推得，光学显微镜的分辨本领不超过2000?，这个数值与实验得到的极限值一致．由阿贝理论得知：如果利用波长更短的波来作为像的形成源，显微镜的分辨本领有可能进一步提高．本世纪二十年代，法国物理学家德布罗意（de．Broglie 1892 —1980）发现：一切微观粒子，例如：电子、质子、中子等，也具有波动性．人们把这种波称为德布罗意波．电子的德布罗意波长为：h（2）m其中h 为普朗克常数，电子受电场V 加速获得动能，其速度为：2eVm1所以h2meV当加速电压在几十千伏以上时，考虑相对论修正，则有：2m eVoh(1eV2mo2c)（3）式中m0 为电子静止质量， c 为光速．当电子被100kV 的电压加速时，电子的波长为0．0037nrn．显然，电子的波长比光波的波长短得多，比γ射线的波长还短．于是，人们立即想到是不是可以利用电子束来代替光波？1932 年，德国年轻的研究员E·卢斯卡（E．Ruska 1906—1988）等人，第一次用电子束得到了钢网放大形成的电子像，它雄辩地证实了使用电子束可以形成与光学透镜完全无异的像，从此开始了电子显微镜的历史．显然电子显微镜的分辨本领大大高于光学显微镜．现代高分辨透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy ，TEM ）分辨率优于0．3nm，晶格分辨率可达0．l～0．2nm．几十年来许多分析方法和仪器相继问世，如：场离子显微镜（Field Ion Microscopy ，FIM ），扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy ，SEM ），俄歇谱仪（Auger Electron Spectroscopy ，AES），光电子能谱（X －ray Photoemission Spectroscopy，XPS），低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction ，LEED ）等等，这些技术在表面研究中都起着重要作用．但是任何一种技术都有一定的局限性，如透射电子显微镜主要研究薄膜样品的结构，场离子显微镜只能探测曲率半径小于100nm 的针尖状样品的原子结构，俄歇谱仪只用以提供空间平均的电子结构信息，且这些技术只在真空环境下才能工作，并对样品将产生一定程度的损伤；因而电子显微镜也存在着自身的缺陷性．2．STM的理论依据按照经典物理学计算表明，微观粒子不能越过比它自身能量高的势垒，就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样，粒子的能量没有达到使它们可以越过这座山而跑到外边去．但量子力学认为，由于微观粒子具有波动性，当一粒子进入一势垒中，势垒的高度Φo 比粒子能量 E 大时，粒子穿过势垒出现在势垒另一边的几率p（z）并不为零（如图 1 所示），即粒子在偶然间可以不从山的上面越过去，而是从穿过山的一条隧道中通过去，人们称这种现象为“隧道效应”．按照量子理论可推导出在两平板电极间的粒子穿过势垒的电流密度为：如图（1）势垒示意图J2ehko V e o2k sT24 s（4）其中h 为普朗克常数，V T 为板间电压，k o 为功的函数，s为两个电极的间距．J 和极间距s 成指数关系，若s 增加0．1nm 时，电流将改变一个数量级．当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流．计算结果是：2 e 2I f (E )[1 f (E eV )] M (E E ) （5）h其中 f (E) 是费米统计分布函数，f (E)1E E FkT 1 eV 是针尖和表面之间电压，Eμ和Eν分别是针尖和表面的某一能态，Mμν是隧道矩阵元．22hM dS ( )2m式中是波函数，括号中的量是电流算符，积分对整个表面进行；这就是STM 的理论依据．3．STM的技术实现任何一项重大科技进步都是在前人众多成功的经验和失败的教训基础上，由若干具有远见卓识的人经过持之不懈的探索再加之以画龙点睛式的创举才能够取得的，STM 发明也不例外．早在50 年代，就有人提出过STM 的最初设想，当时他们希望用光束透射一个极细小的圆孔来获得显微图象．因为技术条件不成熟而未实现．70 年代初，一位名叫罗伯特·杨（R．Yang）的科学家在“场发射显微镜”的仪器关键部位上已经做到了和如今的STM 非常接近．杨和他的同事们采用了一个极细小的针尖，通过扫描样品表面来获取显微图象．然而，他们并未利用隧道电流，而是通过在针尖上加一个高电压，从针尖最尖端发射出一束微小电流（称为场发射电流），打击到样品表面上，进而观察到其表面形貌．这种被杨称作“形貌仪”的显微镜分辨率只达到一般光学显微镜的水平（0．2 微米）．原因是杨的“形貌仪”当中，针尖与样品表面的距离隔得太远，针尖与样品表面产生不了隧道电流，而只能依靠针尖前端的场发射电流来成像，分辩率当然不会太高．宾尼希和罗雷尔在看到杨的“形貌仪”后，立即产生了一种天才的想法，利用隧道效应再发明一种新型显微镜．从实际操作的可行性上宾尼希和罗雷尔花了很长时间才使这一设想趋于成熟，并付诸实际应用，于1979 年提出了STM 这一新型显微镜的专利申请．在1981 年，他们制作了第一台STM 实体，并获得了若干高分辨率显微图象．他们制成的这种新型显微镜达到前所未有的惊人的高分辨率，一举观测到了单个原子的真面目．若以针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当它们之间的距离小到纳米数量级时根据公式（4）可知：电子可以从一个电极通过隧道效应穿过空间势垒到达另一个电极形成电流，其电流大小取决于针尖与表面间距及表面的电子状态．如果表面是由同一种原子组成，由于电流与间距成指数关系，当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，电流却有成十倍的变化，这样就可用现代电子技术测出电流的变化，它反映了表面的起伏．当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品仅纳米高度，恒高度模式扫描会使针尖撞击样品表面造成针尖损坏，此时可将针尖安放在压电陶瓷上，控制压电陶瓷上电压，使针尖在扫描中随表面起伏上下移动，在扫描过程中保持隧道电流不变（即间距不变），压电陶瓷上的电压变化即反映了表面的起伏．这种运行模式称为恒电流模式，目前STM 大都采用这种工作模式．隧道显微镜主体控制电路计算机系统STM 主要部件可以分为三大部分：隧道显微镜主体、控制电路、计算机系统（测量软件及数据处理软件）如图（2）．隧道显微镜在正常工作时针尖与样品表面的间距仅为纳米尺度，而且间距的微小变化都会引起电流的剧烈变化．任何建筑物都有振动，其谐振频率在20Hz 附近，振幅可达微米量级，还有人的运动和声音的传播等产生的振动都会影响隧道电流的稳定性．所以STM 一般需要采取严格的隔震措施和与环境隔离的措施来保证其获得原子级的分辨能力和稳定的图象．为了得到原子级的分辨本领，STM 的针尖结构如图（2）为扫描隧道显微镜构造原理图十分关键，针尖的粗细、形状和化学性质不仅影响STM 图象的分辨率和图象的特性，而且在谱的测定中影响所测定的电子态．理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子，并且针尖的表面没有氧化层和吸附物质，这样才能获得稳定的隧道电流和原子级分辨率的图象．常用的针尖材料为钨或铂铱合金，钨针尖由于刚性好而被广泛使用，但其表面容易形成氧化物，所以在使用前需要加以适当处理并保持在真空中．铂铱针尖由于其高度的化学稳定性尤其适合于大气或液态环境中使用．针尖的制备一般采用电化学腐蚀方法，在NaOH 或KOH 溶液中将钨丝作为阳极，施加交流或直流电压，控制电压和电流及其它电化学参数可使腐蚀后的针尖尖端曲率半径小于50nrn．STM 由计算机控制数一模变换提供阶梯电压，经过直流高压放大器后，分别加在一平面压电陶瓷管的外电极上，使针尖沿二维平面方向作光栅扫描．隧道结电流经过控制电路进入计算机系统与预定电流设置值比较，不相等时根据差值符号和幅度输出相应控制值，经过高压放大来改变扫描机构压电晶体的伸长或收缩，使隧道电流稳定在预定的设置值．控制电路的其它部分是用于控制步进机构和提供偏压等功能．由于隧道电流非常微弱仅为纳米量级，STM3要求各机械运动部分十分稳定，所以控制电路除了要求高灵敏度、高稳定度等性能外，其噪声必须很小．4、STM的优越性及其应用STM 的分辨本领非常之高，大大优于一般的电子显微镜，它的横向（表面）及纵向（深度）分辨率可以达到 1 埃至0．l 埃，而一般的电子显微镜仅能达到几十纳米分辨率就相当不错了．用STM 来观察石墨时，它表面上的碳原子在显微图象上就像一个小馒头一样清晰．STM 还可以直接观察到物质表面的三维立体图象，能够得到物质表面的局域结构信息以及电子信息．在STM 仪器上可以同时探测扫描隧道谱（STS）而获得物质表面的势垒高度、电荷密度波等物理参数，这都是电子显微镜无法做到的．电子显微镜只能够在高度真空的条件下才能工作；而STM 既可以在真空也可以在大气中工作．工作环境可以是常温，也可以是低温；甚至可以把样品浸泡在水里，电解液里，或者液氮当中．这就大大拓宽了STM 的应用范围，许多只能在溶液中保持活性的生物样品，只有采用STM 才能够做出最接近自然状态的观察．STM 的针尖还可以用来移动和操纵单个的原子和分子，这是其他任何类型的显微镜都做不到的．电子显微镜由于附带了真空系统，体积上都显得宠大笨重，而在大气环境中工作的STM 则小巧玲珑多了．一台STM 只由三部分组成，每部分的体积都不会超过一般的个人用微型计算机．STM 使人们第一次能够直接观察到原子在物质表面的排列状态和跟表面电子行为有关系的物理化学性质．因此，它对表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术的研究都有着重大的意义和广阔的应用前景．科学界一致认为，STM 的出现是表面科学和表面现象分析技术的一次革命．借助性能如此优越的显微镜，中外科学家在众多领域里，开展了各种卓有成效的研究工作，解决了许多理论和实验上的疑难问题．这里只举出一个最经典的研究实例：硅的7×7 表面重构问题．硅是一种最常用的半导体材料，它的内部结构属于晶体类．在晶体的表面，构成晶体结构的基本单位——晶胞，往往会发生一定的变化，重新形成表面上特有的晶胞结构，这种现象称为表面重构．表面重构后的基本结构与晶体内部相比，可以用一些数字化的指标来进行表征分类．例如可有2×1、5×5、7×7 等表面重构，意为表面的基本组成结构和晶体内部的基本单位晶胞相比，在某一方向上增大多少倍等等．硅表面的重构现象究竟属于哪一种？这个问题困扰了科学家们长达30 多年．其间有人用X 射线衍射，低能电子衍射等手段观察过多次，始终只是得到推测的重构模式．而没有直观的图象．宾尼希和罗雷尔发明STM 后不久，即把它应用于观察硅的表面重构，从显微照片上（如如图（3）为Si（111）表面图4）清晰地显示出硅表面发生了7×7 重构而不是其他类型．如今，硅表面（7×7）再构图示7×7 重构的图象已成为STM 发展史上的一张非常经典的图象，并且，许多STM 实验室都可在超高真空条件下，轻而易举地获得这一结果．STM 对金属表面原子结构、金属的氧化和腐蚀机理等进行了深入的研究．例如研究Cu 表面具有不同氧覆盖度时，通过氧在表面化学吸附诱导铜表面再构的形成和生长过程，发现在Cu（100）表面每隔 4 行丢失 1 行铜原子，Cu－O－Cu 原子链在Cu（100）表面某一方向成核，然后外延生长．而在Cu（100）表面在不同氧覆盖度时有多种再构情况，其中（2×1）再构是先在平整的平台上成核，然后各向异性地生长出Cu－O－Cu 链，而Cu（6×2）再构却先在台阶边缘上成核，然后各向异性生长．STM 还用于超导材料的研究，它可以在原子尺度的空间研究超导体能隙．例如它被用于Bi 2Sr2CaCu2O8 高T c 氧化物超导体的BiO 面电子态密度测量，结合其它分析技术就可确定材料不同层的电导特性．已有许多实验室将STM 用于薄膜生长机理研究和薄膜结构性能的研究．例如对C60 分子薄膜在Si 和GaAs 不同晶面上的生长过程研究，弄清了生核初始阶段的标度规律和成核设置．STM 可在大气和液态环境下使用，而且对样品不产生损伤。
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。
扫描隧道显微镜的基本原理
扫描隧道显微镜的基本原理1. 扫描隧道显微镜是一种神奇的科学装置，它可以让我们看到微观世界的奇妙景象。
要说起这个玩意儿的原理，简直就是科技界的神秘密码！1.1 让我们从名字的意思来破解这个密码吧。
首先，扫描就是用一种方式逐点扫描样本，像是寸步不离地细细品味。
然后，隧道指的是咱们中国古话里那个进退两难的境地。
看来这种显微镜是要在微观世界中找出那些难以被捉摸的秘密啊！1.2 不过，这玩意儿还是要依赖一些高科技的手段才能实现的。
首先，它会用一个超微小的探头，就像是一个小小的侦探，勇敢地探索着微观世界的深处。
这个探头能够感知到样本表面的微小变化，并且把它们转换成电信号。
1.2.1 接下来，就要展现高超的“探案”能力了！扫描隧道显微镜会使用一个非常尖锐的探针，它就像是侦探手里的放大镜，可以无情地放大样本表面的细微细节。
1.2.2 不过，这个探针也太小了吧！要是弄丢了，估计上天也不一定能找得回来。
所以，为了确保它能按时上岗，并保持“锐利”的状态，科学家们还得定期给它“修葺”一番。
毕竟，谁都不愿意让自己身边的“利器”变得变得钝掉。
2. 接下来，就该让我们来揭开扫描隧道显微镜的“里子”是什么了！不过别着急，一步步来，急什么嘛！2.1 前方高能！这可是个重要节点！扫描隧道显微镜会在样本的表面上来回扫描，每次扫描一个细小的区域。
它就像是个负责任的记者，会把每个区域的情况都详细地汇报给我们。
2.1.1 那么，它是怎么“汇报”的呢？它会通过探针与样本之间的相互作用，来获取一系列精密的数据。
这些数据包含了样本表面的形状、材料成分甚至是电子结构。
简直就像是个微观世界的偷窥狂，悄无声息地窥探着每一处角落。
2.2 嗯，看来扫描隧道显微镜可不是吹牛逼的！它远不止是给我们看看样本长啥样的玩意儿。
它能够帮助科学家们深入研究材料的性质，进而探索出一些奇妙的规律和现象。
2.2.1 比如，可以通过它来观察材料表面的纳米结构，这可是一项了不起的技术！有了它，科学家们可以更好地了解材料的性质和行为，进而开发出更牛逼的材料和器件。
新型扫描隧道显微镜的设计与应用
新型扫描隧道显微镜的设计与应用扫描隧道显微镜（STM）是一种能够在原子尺度下观察表面的实验方法。
它的分辨力比光学显微镜高出几个数量级，可以观察到化学反应、分子结构等物质性质，对于物理、化学、材料等学科的研究有重要作用。
然而，旧型扫描隧道显微镜在逐渐流行的同时，也受到了许多限制，如灵敏度、稳定性等问题。
为了解决这些问题，人们开始研究新型扫描隧道显微镜，并在设计和应用方面进行了改进和优化。
一、新型扫描隧道显微镜的设计新型扫描隧道显微镜的设计在灵敏度、稳定性、可操作性等方面进行了改进。
例如，光纤悬浮式扫描隧道显微镜（F-SSTM）采用了光纤悬浮技术，在保证空气静电场下高灵敏度的同时，能够减少机械振动的影响。
F-SSTM通过采用特殊的稳定性补偿算法，可以受控制地调整和保持扫描隧道显微镜的稳定性。
此外，它还可以应用于大气压下的原子分辨率成像。
多参数反馈控制扫描隧道显微镜（MFM-STM）通过引入多参数反馈控制技术，实现了扫描隧道显微镜在稳定性和空气阻尼方面的改进。
它将高级控制器引入到STM中，实现了智能化控制、自适应调节、自动跟踪等先进功能。
它还可以通过对扫描隧道显微镜的参数进行多参数的优化，使其有更好的灵敏度和稳定性。
这种方法可应用于不同样品的表面形貌、偏压电流等多个参数的量测。
二、新型扫描隧道显微镜的应用新型扫描隧道显微镜在物理、化学、材料等领域都有着广泛的应用。
例如，处理TFL/PTFE复合材料表面，研究电子淀积、电化学反应、催化和液晶、生物分子等性质，都需要用到新型扫描隧道显微镜。
在材料科学领域，扫描隧道显微镜被广泛应用于材料表面形貌、电子结构、晶格、磁性等的研究。
例如，采用STM技术可以观察出溶剂分子对无定形勘探化合物膜结构的影响。
此外，在电子材料科学中，扫描隧道显微镜可以用于表征二维材料和异质结构，并且可以提供准确的电学测量。
在生物领域中，新型扫描隧道显微镜也有着广泛的应用。
扫描隧道显微镜可以用来研究生物大分子、蛋白质和DNA的结构、制备、生长过程、化学反应等。
扫描隧道显微镜在生物互作中的应用
扫描隧道显微镜在生物互作中的应用
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）是一种能够实现原子尺度空间分辨的显微镜技术。
它通过探针与样品表面之间的量子隧道效应来对样品表面进行扫描，从而获取样品表面的原子结构和拓扑信息。
在生物互作中，扫描隧道显微镜可以应用于以下方面：
1. 生物分子结构研究：扫描隧道显微镜可以用于观察和研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的原子结构。
通过扫描隧道显微镜，可以获得这些生物分子的三维形态信息，有助于研究它们的功能和相互作用机制。
2. 生物膜研究：扫描隧道显微镜可以观察和研究生物膜的表面结构和性质。
生物膜是细胞和细胞器之间的重要分隔结构，了解其结构和功能对于研究生物互作非常重要。
通过扫描隧道显微镜，可以直接观察生物膜的形态变化和分子排列等信息。
3. 生物分子相互作用研究：扫描隧道显微镜可以用于研究和观察分子之间的相互作用过程。
通过将两个分子固定在扫描隧道显微镜的探针和样品表面上，可以直接观察它们之间的相互作用和结合情况，从而揭示分子间的互作机制。
4. 生物分子动力学研究：扫描隧道显微镜可以用于观察生物分子的动态过程。
例如，在观察生物酶的活性过程时，可以通过扫描隧道显微镜来实时观察酶的结构和构象的变化，进一步揭示其催化机制。
总之，扫描隧道显微镜在生物互作中的应用可以提供对生物分子结构、互作机制和动态过程的详细了解，有助于深入研究生物学领域的各种问题。
扫描隧道显微镜的基本原理及应用
扫描隧道显微镜的基本原理及应用扫描隧道显微镜是一种先进的分析测试工具，其基本原理和应用领域一直备受关注。
随着科学技术的进步，人们对于各种物质的研究深入深入，需要更加精确、高效的分析工具来满足科学家的需要。
本文将从扫描隧道显微镜的基本原理、应用领域和发展前景进行探讨。
扫描隧道显微镜的基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学中的量子隧穿效应，将金属探针置于样品表面的原子层级，使得电连接在样品表面与探针之间通过量子隧穿现象得以建立，探头记录样品表面电流变化可据此反映出样品的表面几何形态及电子性质等。
它采用非接触方式，在样品表面测得原子尺度及次原子尺度以下的拓扑信息。
扫描隧道显微镜通过三个部分实现基本原理，一是样品，二是扫描器，三是探针。
样品显微镜需要按照一定的形状，制成薄片或压制成球状，以便于扫描器可以准确地读取样品表面的状态，探针是非常重要的组成部分，它通过隧道电流作用于样品表面，使得显示器显示出三维图像。
由于探针容易损坏或磨损，因此样品与探针之间的距离必须稳定维持在纳米尺度。
通常来说，扫描隧道显微镜的工作原理可以分成三个步骤，首先是探针和样品之间靠近并接触，随后是扫描器进行扫描，最后是记录并处理数据以得到样品表面的高度图和顶部化学活性特征等。
扫描隧道显微镜的应用领域扫描隧道显微镜在材料科学、化学、生物学、地质学等领域中具有广泛的应用，能够实现样品的原位观察、加工及表征。
首先，扫描隧道显微镜在材料科学中的应用非常丰富，可以利用扫描隧穿技术观察原子、分子、表面结构的形貌和特征，对材料的微观和纳米尺度特征进行精准的表征，并能够对金属材料、生物材料和纳米材料等进行研究和分析。
其次，在化学领域中，扫描隧道显微镜常常用于分子构象的研究，可以对单分子进行化学、物理性质的表征，对化学反应的研究和分析也有较大的帮助。
此外，在生物领域中，扫描隧道显微镜被广泛应用于生物分子结构、生物膜、单活细胞、生命进程等方面的研究，是生物技术发展的关键工具。
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。
扫描隧道显微镜在半导体器件中的应用
扫描隧道显微镜在半导体器件中的应用随着半导体技术的发展，人们对于半导体器件的质量和性能要求越来越高，因此需要一些高精度的检测方法来保证其质量。
其中，扫描隧道显微镜是一种非常有效的检测方法。
本文将会探讨扫描隧道显微镜在半导体器件中的应用。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜是一种基于量子效应的显微镜，可以用来观察分子、原子和表面的拓扑结构等微观结构。
其原理是利用物体表面的电荷分布对隧道电流的影响，从而得出物体表面的拓扑信息。
扫描隧道显微镜主要由扫描隧道探针、样品平台、信号采集和处理系统等组成。
扫描隧道探针具有极小的针尖和针尖下方的导电面。
在测量过程中，将探针保持在距离样品表面0.4纳米左右的位置，然后将探针沿着样品表面移动，这样就可以得到一系列的隧道电流信号。
这些信号会被放大、数字化和处理，最终得到一张图像，显示样品表面的拓扑结构。
二、扫描隧道显微镜在半导体器件中的应用半导体器件通常具有复杂的微观结构和尺寸特征，因此需要高精度的检测方法来评估其质量和性能。
扫描隧道显微镜正是一种可以提供高精度、高分辨率的器件检测方法，广泛应用于半导体器件制造和研究中。
1.器件表面检测扫描隧道显微镜可以对半导体器件表面的微观结构进行高精度的检测，包括表面形貌、表面粗糙度、表面组成等参数。
这些参数对于器件制造和性能评估非常重要，可以保证器件的质量和可靠性。
2.器件物理性能检测扫描隧道显微镜可以用于器件物理性能的检测，例如电子输运性质、磁性等。
电子输运性质是衡量器件性能的关键指标之一，而扫描隧道显微镜可以实现局部电学特性的检测，并能够用于局部失效分析和电学特性研究。
3.器件加工过程监控扫描隧道显微镜可以用于半导体器件加工过程的监控和调整。
例如，在微电子加工中，使用扫描隧道显微镜可以判断化学反应和表面形貌的变化，以便进行及时的调整和控制。
三、扫描隧道显微镜的优缺点扫描隧道显微镜作为一种高精度的检测方法，具有以下优点：1. 高精度和高分辨率扫描隧道显微镜可以提供极高的分辨率，可以达到亚纳米级，同时还可以提供非常精确的拓扑信息。
扫描隧道显微镜的原理与应用
扫描隧道显微镜的原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种先进的纳米尺度观测仪器，在材料科学、物理学和生物学等领域发挥着重要作用。
它能够通过扫描样品表面的原子尺度特征，为科学家提供关于材料结构和性质的丰富信息。
一、扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的工作原理基于量子力学中的隧穿效应。
该效应是指当探针尖端与样品表面保持极近距离时，探针尖端的电子可以透过空气或真空在样品表面和尖端之间产生电子隧穿现象。
探针尖端带有很小的直流电压，通过测量隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑信息。
二、扫描隧道显微镜的构造扫描隧道显微镜通常由五个主要部分组成：探针、扫描系统、反馈系统、信号检测系统和显像系统。
探针是连接样品和探针部分的关键部件，它具有尖端半导体材料的尖形结构。
扫描系统负责探针在样品表面进行扫描运动，以获得样品表面的图像。
反馈系统监测隧穿电流的变化，并控制探针与样品的距离，使得电流保持在恒定的水平。
信号检测系统将测得的电流信号转化为可视化的图像信号。
显像系统将图像信号输出到显示器上，供研究人员观察和分析。
三、扫描隧道显微镜的应用1. 表面拓扑图像成像扫描隧道显微镜能够显示样品表面的原子级拓扑结构，揭示材料表面的缺陷、晶格等特征。
这对于材料科学家来说非常重要，可以帮助他们理解材料的物理、化学性质，并指导新材料的设计和合成。
2. 研究表面反应动力学通过在扫描隧道显微镜下加热样品或在样品表面引入化学反应物，科学家可以观察到反应动力学的实时变化，研究反应速率、中间体的形成和消失等。
这些研究对于理解催化反应、表面化学过程以及生物分子的相互作用机制具有重要意义。
3. 生命科学研究扫描隧道显微镜在生命科学领域的应用越来越广泛。
它可以用于研究生物大分子的结构和功能，如蛋白质、DNA等。
同时，STM还可以观察活细胞的表面形貌，追踪细胞生长和分裂过程，为生物学家提供有关细胞行为和生物分子的丰富信息。
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。
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用隧道效应实现原子尺度分辨率的显微镜。
其原理基于尖端和样品之间存在的隧道电流。
STM主要由扫描探头和表面的样品组成。
探头的尖端通常由
金属制成，尖端尺寸非常小，只有几个原子大小。
样品表面通常是导体，如金属或半导体。
当探头与样品非常接近时，尖端和样品表面之间会产生一个微小的隧道间隙。
由于量子力学的量子隧道效应，即使隧道间隙非常窄，也可以允许电子从尖端隧道到样品表面。
为了保持探头和样品间的恒定隧道电流，STM中的探头是以
非常小的步长在样品表面进行扫描。
在每个位置，测量和控制系统会调整探头高度，以保持隧道电流的恒定。
根据隧道电流的变化情况，可以得到样品表面的形貌信息。
当尖端在不同的位置上进行扫描时，可以得到一个二维图像，显示出样品表面的原子排列情况。
由于STM的原理基于隧道电流，因此只有在样品表面是导体
的情况下才能使用。
此外，由于隧道电流十分微弱，所以要求实验环境必须非常安静并且稳定。
总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现原子尺度的高分
辨率观测。
通过测量隧道电流的变化，可以得到样品表面的形貌信息，从而揭示出微观尺度下的材料特征。
扫描隧道显微镜讨论
能源与环境领域
利用STM研究催化剂表面反应、 环境污染物的微观结构等，为能 源转换与环境保护提供新思路。
信息技术领域
将STM应用于半导体器件、纳 米电子学等领域的研发，推动
信息技术的持续发展。
06 总结与展望
本次讨论内容回顾
扫描隧道显微镜（STM）的基本原理 和工作机制。
STM的优缺点分析，包括高分辨率、 实时成像、对样品无损伤等优点，以 及操作复杂、对样品要求高、易受环 境干扰等缺点。
电子结构分析
通过扫描隧道谱（STS）技术，STM可以测量金 属和半导体表面的局部电子态密度，进而分析其 能带结构和电子性质。
表面扩散和生长机制
STM可以实时观察金属和半导体表面原子或分子 的扩散、聚集和生长过程，为理解材料生长机制 提供直观手段。
纳米材料表征与性质探索
纳米结构成像
STM具有极高的空间分辨率，能 够直接观察纳米材料的形貌、尺 寸和分布，揭示其纳米尺度下的
02 扫描隧道显微镜技术特点
高分辨率成像能力
横向分辨率达到原子级别
实时成像
能够清晰地分辨出单个原子和分子， 揭示物质的微观结构。
扫描速度快，能够提供实时的表面形 貌图像，适用于动态过程的观察。
纵向分辨率高
可以探测到样品表面微小的高度变化， 提供三维ห้องสมุดไป่ตู้貌信息。
原子级表面形貌表征
01
02
03
揭示表面结构
这些研究有助于揭示神经突触 传递的机制，为神经系统疾病 的治疗和神经科学的发展提供 有力支持。
05 扫描隧道显微镜技术挑战 与发展趋势
技术挑战及限制因素
分辨率与探测深度
扫描隧道显微镜（STM）的分辨率受限于针尖大小和隧道电流 的稳定性，同时探测深度也受到限制。
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。
法医学中的法医扫描隧道显微镜技术与扫描隧道显微解剖学
法医学中的法医扫描隧道显微镜技术与扫描隧道显微解剖学法医学是一门探究法律与医学交叉的学科，通过对尸体或遗留物的解剖和病理学分析来确定死因和病因。
近年来，随着科技的不断发展，法医学领域也开始引入先进的显微镜技术，其中之一就是法医扫描隧道显微镜技术。
一、法医扫描隧道显微镜技术的基本原理法医扫描隧道显微镜技术是一种能够以原子级分辨率观察材料表面形貌和示踪分析表面结构的显微镜技术。
它利用探针和材料表面之间的隧道电流作为信息载体，通过控制和记录这种电流以获取样品表面的形貌和电荷分布情况。
二、法医扫描隧道显微镜技术在法医学中的应用1. 尸体痕迹分析法医扫描隧道显微镜技术可以对嫌疑人身上的衣物进行显微观察，并通过分析衣物上的微小痕迹，如纤维、头发、皮屑等提供有力的证据。
这些微小痕迹在肉眼下很难被发现，但通过法医扫描隧道显微镜技术可以清晰地显示出来，从而帮助法医学家锁定犯罪嫌疑人。
2. 毒物分析法医扫描隧道显微镜技术在毒物分析中也发挥重要作用。
通过对毒物样本表面的显微观察，可以检测到微小的毒物分子残留，从而确定死因或病因。
此外，该技术还可以帮助分析毒物在体内的分布情况和作用机制，为法医学的毒物分析提供更准确的依据。
3. 纤维分析法医扫描隧道显微镜技术在纤维分析中也得到了广泛的应用。
通过观察纤维表面的形貌和结构，可以推测纤维的来源和特征，帮助法医学家确定犯罪嫌疑人或确定纤维的用途。
这对于衣物痕迹的分析和鉴定具有重要意义。
三、扫描隧道显微解剖学扫描隧道显微解剖学是一门研究生物分子结构和功能的学科。
它与法医学中的法医扫描隧道显微镜技术有着密切的联系。
扫描隧道显微解剖学通过将生物分子放置在显微探针下，利用隧道电流和电势进行测量，从而观察生物分子的结构和动态过程，研究其功能和作用机制。
扫描隧道显微解剖学在生物医学领域具有重要的应用价值。
通过扫描隧道显微解剖学技术的发展，我们可以更加深入地了解生物分子的结构和功能，从而在疾病的早期诊断和治疗中发挥重要作用。
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扫描隧道显微镜浅谈摘要：本文简要概述了扫描隧道显微镜的工作原理及其结构组成，并对比说明了其工作模式，及扫描隧道显微镜的优缺点，同时，对其具体应用领域也作了简要介绍。
关键词扫描隧道显微镜原理应用1 扫描隧道显微镜概述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”，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。
它于1981年由格尔德•宾宁（G．Binning）及海因里希•罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特•鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
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。
2 扫描隧道显微镜工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。
就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。
一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。
当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。
电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。
在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。
3 扫描隧道显微镜基本组成及结构STM包括隧道针尖、三维扫描控制器、减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分,各部分的关系如下图所示：仪器基本构成示意图3.1 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。
针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。
如果针尖的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，而且能够获得原子级分辨的图象。
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[2]。
目前制备针尖的方法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[2]。
3.2 三维扫描控制器由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。
目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。
压电陶瓷利用了压电现象。
所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。
许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。
压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移[2]。
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种①三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动。
②单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。
通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂直移动。
在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。
管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。
③十字架配合单管型，z方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成，x和y扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上。
这种结构的x-y扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影响。
除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。
3.3 减震系统由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。
必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。
隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手[2]。
3.4 电子学控制系统扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电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。
图1给出了扫描隧道显微镜电子学控制控制系统的框图[2]。
3.5 在线扫描控制和离线数据处理软件在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。
在线扫描控制①参数设置功能在扫描隧道显微镜实验中，计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节，以及获得、显示并记录扫描所得数据图象等。
计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。
在线扫描控制中一些参数的设置功能如下：⑴“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。
⑵“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。
⑶“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。
⑷“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。
⑸“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。
⑹“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。
⑺“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。
⑻“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。
⑼“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。
⑽“工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。
⑾“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。
⑿“往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。
⒀“量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。
这些参数的设置除了利用在线扫描软件外，利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调节这些参数。
②马达控制当使用软件控制马达使针尖逼近样品时，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态，否则探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用。
马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢靠近样品，直到进入隧道区为止。
马达控制的操作方式为：“马达控制”选择“进”，点击“连续”按钮进行连续逼近，当检测到的隧道电流达到一定数值后，计算机会进行警告提示，并自动停止逼近，此时单击“单步”按钮，直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近，完成马达控制操作[2]。
离线数据分析离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。
常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
⑷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。
⑸数据统计，用统计学的方式对图象数据进行统计分析。
⑹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。
大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象[2]。
4 扫描隧道显微镜工作模式4.1 恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流I ，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I 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，STM得到了样品表面的三维立体信息。
这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。
4.2 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微图像，而不需要光源和透镜。