扫描隧道显微镜
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。
扫描隧道显微镜原理与制备技术介绍
扫描隧道显微镜原理与制备技术介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜，用于观察固体表面的原子及分子结构。
本文将详细介绍扫描隧道显微镜的原理和制备技术。
扫描隧道显微镜通过利用尖端和样品表面之间的量子隧道效应，实现对表面形貌和电子结构的观察。
其原理可以简单描述为：在一个真空中，尖端电极和样品表面之间加上一个微小的直流电压，当尖端和样品非常接近时（约 1 nm），由于量子隧道效应的存在，电子会从尖端隧道穿过真空障垒，进入样品表面或从样品表面进入尖端。
通过测量电流的强度和偏置电压的变化，就可以对表面的电子结构和拓扑形貌进行分析和显微观察。
扫描隧道显微镜的制备技术涉及到多个方面，包括尖端制备、样品制备和探测系统的搭建。
首先，尖端制备是制备扫描隧道显微镜不可或缺的一步。
常用的方法有机械断裂法和电化学腐蚀法。
机械断裂法是将一根金属丝折断，使其末端形成尖端结构，常用的金属有铂铱合金。
电化学腐蚀法则是通过在电解液中腐蚀尖端材料来制备尖端。
这两种方法制备出的尖端直径一般为1-10纳米，且需要在真空条件下进行。
其次，样品的制备也是扫描隧道显微镜研究中的重要步骤。
制备样品需要考虑到其几何形状和电导特性。
通常，我们可以使用化学气相沉积、物理气相沉积、溅射沉积等方法制备样品。
这些方法可以制备出晶体、薄膜和纳米颗粒等不同形式的样品。
最后，搭建扫描隧道显微镜的探测系统是整个研究的核心。
探测系统主要包括扫描器、样品台和信号采集与处理系统。
扫描器用于控制尖端在样品表面的位置，实现对样品进行扫描。
样品台则用于固定样品并提供电流给样品。
信号采集与处理系统用于测量和处理电流信号，并通过计算机进行数据的可视化和分析。
总结起来，扫描隧道显微镜的原理是基于量子隧道效应，利用电流强度和偏置电压的变化来观察固体表面的原子和分子结构。
其制备技术包括尖端制备、样品制备和探测系统搭建。
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。
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ppt
扫描隧道显微镜的工作模式
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恒高模式
在ห้องสมุดไป่ตู้模式下，针尖在固定的高度位置进行扫描 ，适用于表面高度变化较大的样品。
恒力模式
在此模式下，针尖根据表面形貌调整自身高度 ，以保持恒定的力，适用于表面高度变化较小 的样品。
交流模式
在此模式下，针尖与样品之间存在小幅度的振 动，以实现更精确的表面形貌扫描。
01
扫描隧道显微镜（STM）是一种基于量子力学隧道效应的测量技术，它能够直 接探测样品表面的原子结构，具有极高的分辨率和灵敏度。
02
STM技术自1981年被发明以来，已经广泛应用于物理、化学、生物学等各个领 域，成为研究物质表面结构和电子态的重要工具。
03
在过去的几十年中，STM技术不断发展和完善，不仅在实验上取得了许多重要 的成果，如原子操纵、单分子检测等，同时也促进了理论计算和模拟方法的发 展。
扫描隧道显微镜的应用范围
材料科学
用于研究材料表面的微观结构和物理性质，如表 面重构、吸附和脱附等。
生物学
用于研究生物分子和细胞膜的表面结构和功能， 如DNA和蛋白质的微观结构等。
环境科学
用于研究表面污染和环境变化对材料表面的影响 。
03
扫描隧道显微镜的优缺点
扫描隧道显微镜的优点
原子级分辨率
扫描隧道显微镜具有原子级的分辨 率，能够观察和解析材料表面的原 子结构。
分子构造研究
STM可以用于研究分子尺度的构造 和化学键信息，为理解分子性质提 供基础数据。
在生物领域的应用
细胞结构研究
STM可以用于观察细胞表面的结构、分子分布等，为生物医学 研究提供新的视角。
病毒构造研究
STM可以用于解析病毒的原子级别结构，为疫苗研发等提供关 键信息。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）和原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）是近代纳米科技研究中最常用的两种显微镜。
它们的工作原理基于量子力学和原子间相互作用的特性，能够在原子尺度上对材料进行高分辨率的观察和测量。
本文将对这两种显微镜的原理和应用进行详细介绍。
一、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM是由布特和罗人于1982年发明的一种高分辨率的表面形貌和电子性质的检测仪器。
它的工作原理基于电子的量子隧穿效应。
当一个金属探针在纳米尺度上与样品表面非常靠近时，由于量子隧穿效应的存在，探针上的电子会通过真空隧穿到样品表面，形成一晶格单位长度上的隧穿电流。
通过控制探针和样品之间的距离，并测量隧穿电流的变化，就可以在纳米尺度上对样品表面的形貌和电导率进行高分辨率的成像。
STM的应用非常广泛。
首先，它可以用于表面形貌的观察和测量。
利用STM的纳米尺度分辨率，可以研究材料表面的形貌结构，比如晶体表面、纳米颗粒的形貌等。
其次，STM可以用于电子能级的探测。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以了解样品的电子性质，比如导体与绝缘体的电子分布、局域缺陷的电子能级等。
另外，STM还可以用于表面化学反应的研究。
通过在STM系统中加入气体环境和局部加热等手段，可以直接观察表面化学反应的过程和反应产物等。
二、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，简称AFM）AFM是由盖柏勒（Gerd Binnig）和罗隆德（Heinrich Rohrer）于1986年发明的一种非接触式的力学检测器。
它的工作原理基于探针尖端与表面之间的力的相互作用。
AFM采用非接触的方式，将探针尖端靠近样品表面，并通过测量探针向上弯曲或偏移的程度，来推测表面的形貌和性质。
什么是扫描隧道显微镜
什么是扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，缩写为STM）是一种扫描探针显微术工具，它可以让科学家观察和定位单个原子，具有比同类原子力显微镜更高的分辨率。
STM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。
扫描隧道显微镜利用量子力学中的隧道效应，当扫描针尖在样品表面上方沿z轴来回扫描时，由于针尖和样品之间的距离非常近，使得针尖和样品之间产生隧道效应，从而获得表面形貌的微细结构信息。
扫描隧道显微镜具有原子级（埃级）的空间分辨率和优于500飞秒的时间分辨率，成为国内首套自主研制的太赫兹扫描隧道显微镜系统。
STM在原子级扫描、材料表面探伤及修补、引导微观化学反应、控制原子排列等领域广泛应用。
如需了解更多有关扫描隧道显微镜的信息，可以查阅相关的专业文献，或者咨询相关领域的专家学者。
扫描隧道显微镜
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扫描隧道显微镜（STM）Байду номын сангаас介
1982年 ， IBM公司苏黎世实验室的两位科学家 年 公司苏黎世实验室的两位科学家 宾尼和海·罗雷尔发明了扫描隧道显微镜 葛 ·宾尼和海 罗雷尔发明了扫描隧道显微镜。 这种新 宾尼和海 罗雷尔发明了扫描隧道显微镜。 型显微仪器的诞生， 型显微仪器的诞生，使人类第一次能够实时地观测到 原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的 物理化学性质，对表面科学、材料科学、 物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以 及微电子技术的研究有着重大意义和广阔的应用背景， 及微电子技术的研究有着重大意义和广阔的应用背景， 被国际科学界公认为是表面科学和表面现象分析的一 次革命。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原 次革命。 一门新兴的学科──纳米科学技术由此应运而生 。 纳米科学技术由此应运而生。 子 。 一门新兴的学科 纳米科学技术由此应运而生
STM的特点 STM的特点
STM的优点 STM的优点
具有原子级高分辨率。 具有原子级高分辨率。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。 可实时地得到在实空间中表面的三维图象 。 可观察单个原子层的局部表面结构。 可观察单个原子层的局部表面结构。 可在真空、 大气、 常温等不同环境下作， 可在真空 、 大气 、 常温等不同环境下作 ， 甚至可将样品浸在溶液中， 甚至可将样品浸在溶液中 ， 并且探测过程 对样品无损伤。 对样品无损伤。 配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电 配合扫描隧道谱 可以得到有关表面电 子结构的信息。 子结构的信息。
扫描隧道显微镜
实验八扫描隧道显微镜Scanning Tunneling Microscope（STM）引言上世纪八十年代初，IBM Zurich 实验室的Binnig 和Rohrer 发明了扫描隧道显微镜(scanning Tunneling Microscope，简称STM )，很快他们就因此获得了诺贝尔物理奖。
当初他们的动机仅仅是为了了解很薄的绝缘体的局域结构、电子特性以及生长性质，可是当他们想到用“电子隧穿”可以进行局域探测后，STM 这个局域探测手段便应用而生了。
STM 一出现，人们就为它的威力所震撼，随后他的家族成员如扫描力显微镜(Scanning ForceMicroscope, SFM), 磁力显微镜( Magnetic Force Microscope, MFM)及近光学场显微镜(Scanning Near-Field Optical Microscope, SNOM)等相继诞生，并在科学技术领域迅速地发挥越来越大的作用。
作为显微镜，STM 的优越性首先在于其高分辨率本领。
它平行于表面的(横向)分辨本领为一埃，而垂直于表面的(纵向)分辨本领优于一埃。
当然，STM 还有更多的优越之处。
例如电镜和扫描电镜(SEM))不能对表面原子成像；高分辨透射电镜(TEM)主要用于对体或界面的成像，并且只局限于很薄的样品；场发射显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)只能探测半径小于1000埃的针尖表面的二维的原子几何结构，并且要求表面在强电场的作用下是稳定的。
而STM 却避开了这些困难，它与其它显微镜的的主要区别在于：它不需要粒子源，亦不需要透镜来聚焦。
和常规的原子级分辨仪器(如光衍射及低能电子衍射等)相比，其优越性则在于，第一，它能给出实空间的信息，而不是较难解释的K 空间的信息；第二，它可以对各种局域结构或非周期结构(如缺陷、生长中心等)进行研究，而不只限制于晶体或周期结构。
除此之外，STM 不仅能提供样品形貌的三维实空间信息、给出表面的局域电子态密度和局域功函数等信息，而且还能在介观尺度上对表面进行可控的局域加工并对加工产生的纳米结构进行各种研究。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜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。
在线扫描控制系统
离线数据分析软件
工作原理
工作模式 恒电流模式
恒高度模式
具体应用 扫描
探伤及修补
微观操作
产品分析 优越性
局限性
产品评价
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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 扫描隧道显微镜
编辑本段具体应用
扫描
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具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测[7]。
目录
简介
基本结构隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
在线扫描控制系统
离线数据分析软件
工作原理
工作模式恒电流模式
恒高度模式
具体应用扫描
探伤及修补
微观操作
产品分析优越性
局限性
产品评价简介
基本结构 隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
扫描隧道显微镜科技名词定义
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(CSTM)
1.概述
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和Heinrich Rohrer博士及其同事们， 共同研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫 描隧道显微镜(ScanningTunneling Microscope， 以下简称STM ) 。它的出现，使人类第一次能够原 地观察物质表面单个原子的排列状态和与表面电子 行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公 认为是80年代世界十大科技成就之一。
1. 2隧道电流 两种金属(即电极)靠得很近(通常小 于lnm)时，两种金属的电子云将互相 渗透，当加上适当的电位时，即使两 种金属并未真正接触，也会有电流由 一种金属流向另一种金属，这种电流 就称为隧道电流。
2. 2
STM工作原理
STM的工作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 被研究的物质表面作为两个电极。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。
3. 3计算机控制单元 计算机控制单元的任务主要是仪器控 制、数据采集、存储和图像显示与处理等。
4、实验方法
4. 1 STM的操作 4. 2 STM针尖的制备 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成 型法等。 4. 2.1 钨针尖的制备 钨针尖的电化学腐蚀方法通常涉及金属电极的阳极 溶解。有两种方法可以进行这一阳极溶解过程，依据 所加的电势而分成交流(AC)或直流(DC)腐蚀，这两种 方法产生的针尖形状是不同的。AC针尖呈圆锥体形状， 锥度角比DC方法制成的针尖大，DC方法制成的针尖 呈双曲线体形状，针尖比用AC法制成的更尖锐，更适 用于STM的高分辨成像。
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
例如， 例如 ， 当一个金属针尖 和一个导电样品很接近时 (相距约 相距约lnm)，尽管两者间 相距约 ， 仍是一很薄的绝缘层， 仍是一很薄的绝缘层 ， 有 较高的势垒， 但两者波函 较高的势垒 ， 数已有一定程度的交叠。 数已有一定程度的交叠。 把针尖和样品作为两个 电极， 加上微小的电压， 电极 ， 加上微小的电压 ， 电子即可穿过其间的势垒 产生所谓隧道电流。 产生所谓隧道电流。
1、STM特点 、 特点
STM具有的特点： 具有的特点： 具有的特点 (1)具有原子级的分辨率，横向和纵向分辨率分 具有原子级的分辨率， 具有原子级的分辨率 别可达到0.1nm和0.01nm，可分辨单个原子。 别可达到 和 ，可分辨单个原子。 (2)可实时地直接得到实空间中的表面三维图像， 可实时地直接得到实空间中的表面三维图像， 可实时地直接得到实空间中的表面三维图像 可研究具周期性或不具周期性的表面结构， 可研究具周期性或不具周期性的表面结构，配合 隧道谱(STS)和功函数 ， 可以得到表面电子结构 和功函数， 隧道谱 和功函数 的信息，甚至可直接观察到表面单个的键。 的信息，甚至可直接观察到表面单个的键。
扫描隧道显微镜(STM) 扫描隧道显微镜
姜传海
上海交通大学材料科学与工程学院 上海交通大学材料科学与工程学院
一、概述
1、STM特点 、 特点 2、基本原理 、
二、STM仪器 仪器
1、隔绝振动 、 2、机械设计 、 3、负反馈电路 、 4、样品制备 、
三、应用举例
一、概述
材料的表面和界面结构与材料的许多性能有 重要关系， 重要关系，研究表面结构对改进材料的性能和 开发研制新材料有很大意义。 开发研制新材料有很大意义。 但是， 但是，表面结构特别是原子水平上的表面结 构信息是很难获得的。 构信息是很难获得的。
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一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
3、工作模式
根据针尖和样品的相对运动方式不同，工作模式分为恒电流
模式和恒高模式。
一、STM结构及工作原理
恒高模式是在扫描过程中切断反馈回路保持针尖的高度不变，
记录隧道电流的大小值。
恒高模式适于观察表面起伏较小的样品，一般不能用于观察
表面起伏大于1 nm的样品。在恒高模式下，STM可进行快速扫描，
测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显
微装置。
那么什么是隧道效应？根据量子力学原理，由于粒子存在波
动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另
一边的几率不为零， 这种现象称为隧道效应。
一、STM结构及工作原理
由于隧道效应，金属中电子不完全局
限于金属表面之内，电子云密度并不在表
通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的
原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。
二、STM特点
配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到
有关表面局域电子结构的信息。
二、STM特点
STM技术局限性：
不能探测深层结构信息。
扫描范围小。
无氧化层覆盖。
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法 机械成型法 制备方法 聚焦离子束铣削法 电子束诱导化学气相沉积法 场致蒸发法
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法
多用钨丝作针尖，所得到针尖直径可
小于100Ȧ。
以不锈钢或铂为阴极，以钨丝为阳极，
安装在一个高度可调节测微仪上，两极
流，便可获得隧道电流随偏压(I-Vb或dI/dVb-Vb)变化曲线 ，即扫
描隧道谱。
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理 二、STM特点 三、STM, TEM, SEM, FIM的比较 四、STM前沿发展
二、STM特点
具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。
面边界处突变为零。金属表面外，电子云
密度呈指数衰减，衰减长度约为 1nm。用
一个极细的、仅原子线度的金属针尖作为
探针，将它与被研究物质(即样品)的表面
作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠 近(距离＜1nm)时，两者电子云略有重叠。
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
1981年，葛· 宾尼和海 · 罗雷尔等人研制出新 型的表面分析仪器— —扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜出现意义
目前具有原子分辨率的科学仪器主要有三种：透射电子显微镜(TEM)， 场离子显微镜(FIM)和STM。TEM研究的是物体的体性质；FIM只能研究 可制备成极细针尖的固体样品表面原子. STM利用电子在针尖和样品间的隧道效应产生的隧道电流，达到了原子 分辨率。 STM的出现使人类第一次能够在实空间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理、化学性质。如，1983年G. Binning等人首次给出了Si(111)7x7重构表面的实空间原子像 STM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 和广阔的前景，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
一、STM结构及工作原理 二、STM特点 三、STM, TEM, SEM, FIM的比较 四、STM前沿发展
一、STM结构及工作原理 二、STM特点 三、STM, TEM, SEM, FIM的比较 四、STM前沿发展
一、STM结构及工作原理
1、隧道效应和隧道电流
扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探
粗调定位器是STM的重要组成部分。STM压电扫描器的Z向伸
缩范围一般小于2μm，安全可靠地将针尖-样品间距从毫米减少到
微米，是STM顺利工作的前提。
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率的必备条件之一。
STM原子分辨的样品表面像的典型起伏约为0.1Å ，因此外界振动
对STM的干扰必须降到0.01Å 以下。
获得STM图像快，而且能有效减少噪声
和热飘逸对隧道电流信号的干扰，从而
获得高分辨率的图像。
一、STM结构及工作原理
恒电流模式是通过反馈回路在偏压不变的情况下保持隧道电 流恒定，记录z向压电扫描器的伸缩情况，得到一个等电流面。 恒电流模式是STM最常用的一种工作模式。在此模式下， STM的针尖随样品表面起伏而上下运动，因此不会因表面起伏太 大而碰撞到样品表面，所以恒电流 模式适于观察表面起伏较大的样品。
反馈调节器与控制系统用来调节和控制STM偏压、压电陶瓷
扫描电压以及隧道电流设定值，用以保证上述功能连续变化，最
后由显示系统给出结果。
应当指出，扫描隧道显微镜分品要经过一系列的处理获得平坦而
纯净的表面。
一、STM结构及工作原理
4) 其他部件
在STM中还有粗调定位器、振动隔离系统和样品台等部分。
中，工作温度在0 K到1100 K，探测过程对样品无损伤。
UHV
Air
二、STM特点
具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
观察单个原子层的局部表面结构。
可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液
中，工作温度在0 K到1100 K，探测过程对样品无损伤。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
观察单个原子层的局部表面结构。
Atomic Resolution on Pt(100)
二、STM特点
具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
观察单个原子层的局部表面结构。
可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在溶液
间加4—12 V电压；腐蚀几分钟后，钨丝
在界面附近变尖细，形成针尖，最后用
蒸馏水、无水乙醇冲洗。
一、STM结构及工作原理
2) 压电陶瓷扫描器
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。
目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。
z方向上运动范围达到1 μm，精度0.05 Ȧ(高级STM达到0.01 Ȧ);
探针质量具有不确定性，常依赖于操作者的经验。
无法直接观测绝缘体材料。
一、STM结构及工作原理 二、STM特点 三、STM, TEM, SEM, FIM的比较 四、STM前沿发展
三、STM, TEM, SEM, FIM的比较
一、STM结构及工作原理 二、STM特点 三、STM, TEM, SEM, FIM的比较 四、STM前沿发展
一、STM结构及工作原理
1) 金属探针
金属探针是STM技术中首要解决的问题之一，针尖的大小、形
状和化学同一性不仅影响着图像的分辨率和表面的形貌，也影响
着测定的电子形态。如果所制备的针尖的最尖端只有一个稳定的
原子而不是多重针尖(毛刺)，那么隧道电流就会很稳定，而且能
够获得原子级分辨率的图像。此外，还要求针尖的化学纯度高、
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
利用扫描隧道显微技术，不仅可以获取样品表面形貌图像，
同时还可以得到扫描隧道谱。利用这些谱线可对样品表面显微图
像作逐点分析，以获得表面原子的电子结构等信息。
具体操作是：在样品表面选一定点，并固定针尖与样品间的
距离，连续改变偏压(Vb)值从负几伏至正几伏，同时测量隧道电
x或y方向上运动范围达到125 μm，精度1 Ȧ。
通过控制电压连续变化，针尖就可以在垂直面上或者水平面
上做连续的升降或平移运动，其控制精度可以达到0.001 nm。
一、STM结构及工作原理
出现的多种结构的扫描器：
三角架扫描器
双压电晶片扫描器
单管扫描
一、STM结构及工作原理
单管扫描器(Tube Scanner)具有高的压电元件常数以及高的共
扫描隧道显微镜(PSTM)等。
扫描隧道显微技术 Scanning Tunneling Microscope
刘永 2014.11
扫描隧道显微镜出现背景
1986年，STM的发明 者宾尼和罗雷尔被 授予诺贝尔物理学 奖
1933年，德国科学家 Ruska和Knoll等人在 柏林制成第一台电子 显微镜
此后几十年，TEM、 SEM、FIM 等相继出 现
振频率。
一、STM结构及工作原理
通过控制STM的压电陶瓷扫描器，
其扫描路线为光栅扫描。当扫描器沿
直线扫描时，图像数据为等距离取样
获得。 用作扫描器的压电陶瓷的选择主 要考虑压电陶瓷的压电系数、退极化 场、Curie点、压电系数的温度关系、 老化等。
一、STM结构及工作原理
3) 反馈调节器以及控制与显示系统
2、STM的基本结构及工作原理
与光学显微镜和电子显微镜
不同， STM未采用光学或电子透
镜成像，而是当尖锐金属探针在
样品表面扫描时，利用针尖—样
品间纳米间隙的量子隧道效应引
起的隧道电流与间隙呈指数关系，
获得原子级样品表面形貌特征图。
一、STM结构及工作原理
压电陶瓷扫描器
反馈调节器
金属探针
控制与显示系统
四、STM前沿发展
宾尼等人1986年研制作成功的原子力显微镜(Atomic Force
Microscope，AFM)弥补了STM的一部分不足。后来又陆续发展了
一系列的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)，如
磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、扫描热显微镜、光子