扫描隧道显微镜STM讲解材料
扫描隧道显微镜分析STM
Ni板氙原子排成IBM
Ag on Ag(111)
Cu on Cu(111)
CeO2(111)和 CeO2(100) 纳米粒子在被氧化的Cu(111) 基体上的生长
5.参考文献
【1】纳米材料分析 2003 黄惠忠 【2】扫描探针显微镜在材料表征的应用 2010褚宏祥 【3】CeO2 T CuOx Interactions and the Controlled Assembly of CeO2(111) and CeO2(100) Nanoparticles on an Oxidized Cu(111) Substrate 2011 《PHYSICAL CHEMISTRY》
（Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数 ， Φ 1和Φ 2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）
3、样品表面的扫描
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。
图2 金属表面与针尖的电子云图
2、隧道电流的产生
当样品与针尖的距离非常小（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是针尖的电子波函数与样品的电子 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
1
I V b exp( A Φ 2 S )
In Touch with Atoms
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
2.STM的原理
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。
扫描隧道电子显微镜ppt课件
缺点
• 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。对铂超细 粉末的一个研究实例: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。 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。
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
STM的工作模式
•
尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下
述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的
机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子
系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方
式：恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流，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，扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面，显 微图象质量高，应用广泛。
扫描隧道显微镜STM和原子力显微镜AFM分析技术PPT学习教案
针尖和样品间距离来完成。
➢ 在压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面进行扫
描时，通过从反馈系统中提取它们间距离变化 的信息，就可以绘制出样品表面的原子图像。
第23页/共130页
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恒高模式：
➢ 始终控制针尖在样品表面某一水平高度上扫 描，随样品表面高低起伏，隧道电流不断变 化。
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硅111面原子重构象 对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和
退火处理的过程中硅表面的原子进行重新组合， 结构发生较大变化，这就是所Βιβλιοθήκη 的重构。第5页/共130页
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、电化 学反应过程中电极表面变化的监测等。
1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人 瞠目结舌的成果，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。
用STM移动氙原子排出的“IBM”图案
第10页/共130页
二、电子隧穿效应
经典理论认为：金属中处于费米能级EF以上 的自由电子逸出表面，必须获得足以克服金属表 面逸出功φ的能量。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。
射系数T为：
T
16E
(V0 V02
E
)
e
2
a
2m(V0 E )
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
扫描隧道显微镜(STM)PPT课件
Scanning Tunneling Microscope
一、简介 二、基本原理 三、STM的结构及关键技术 四、应用
1．表面形貌测量及分辨率 2．逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
1
五、原子力显微镜（AFM）
1．特点 2．工作原理 3．结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举
如s↗ → I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长 → s↘。 VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
9
△ XYZ位移器（样品位置细调〕 微小距离移动的精确控制
△ 样品粗调 使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离 (10- 100μm) 调整到100 Å 量级 － Louse 结构 － 精细螺旋机构
△ 防震系统分析 － 使由振动引起的隧道距离变化 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在 1－100Hz)
10
四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有 一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与 R、 s 和 ko 有如下近似关系：
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。
3．扫描隧道谱(STS)
在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征峰
的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm 则有：F = kΔz
超高真空扫描隧道显微镜
统。
三.超高真空STM
1.为什么要将STM置于超高真空环境中？
●对清洁晶体表面结构的认识，有赖于超高真空条件
处于大气中的固体表面会和周围气体进行化学反应形成表面薄层，如氧化 物、硫化物或其它化合物，即使在低真空下，刚刚断裂的固体表面也会很 快吸附上其它原子。 大气下，STM可用来观察无氧化层的干净样品表面，对于易氧化的半导体 或金属样品，无法得到它们的表面原子结构图象
110
Takayanagi, Surf.Sci.164,367
112
Faulted Half Unfaulted Half
(aBba)
(aBbC)
Adatom
10 Å
Rest atom Corner hole
2nd layer
a b B a 12 adatoms, 6 rest atoms, 19 dangling bonds, 9 dimers, 1corner hole There is a stacking fault between the second and third layers atoms
Vb
Sample ＋
2. STM的结构
STM仪器以下三部分组成： 减振系统的STM头部：头部的主要部件是用压电陶瓷做成的微位移扫描 器，在x-y方向扫描电压的作用下，扫描器驱动探针在导电样品表面附近作 x-y方向的扫描运动
●
电子学控制系统：一台差动放大器检测探针与样品间的隧道电流，并把 它转换成电压反馈到扫描器，作为探针z方向的部分驱动电压，以控制探 针作扫描运动时离样品表面的高度
份，管内壁为一整体电极。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，导致 陶瓷管向垂直于管轴方向弯曲。通过在相邻的两 个电极上按一定顺序施加电压就可实x-y方向的相 互垂直移动。
实验十三扫描隧道显微镜（STM）
实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）1982年，IBM瑞⼠苏黎⼠实验室的葛·宾尼(Gerd Binning)和海?罗雷尔(Heinrich Rohrer)研制出世界上第⼀台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．与其它表⾯分析技术相⽐，STM具有如下独特的优点：1．具有原⼦级⾼分辨率，STM在平⾏和垂直于样品表⾯⽅向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原⼦．2．可实时再现样品表⾯的三维图象，⽤于对表⾯结构的研究及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，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．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它溶液中．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、超导机制、电化学反应过程中电极表⾯变化的监测等．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．6．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．STM也存在因本⾝的⼯作⽅式所造成的局限性．STM所观察的样品必须具有⼀定的导电性，因此它只能直接观察导体和半导体的表⾯结构，对于⾮导电材料，必须在其表⾯覆盖⼀层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表⾯的分辨率．然⽽，有许多感兴趣的研究对象是不导电的，这就限制了STM应⽤．另外，即使对于导电样品，STM观察到的是对应于表⾯费⽶能级处的态密度，如果样品表⾯原⼦种类不同，或样品表⾯吸附有原⼦、分⼦时，即当样品表⾯存在⾮单⼀电⼦态时，STM得到的并不是真实的表⾯形貌，⽽是表⾯形貌和表⾯电⼦性质的综合结果．【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．学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表⾯形貌；4．学习⽤计算机软件处理原始数据图象．【实验仪器】NanoView-I型扫描隧道显微镜，Pt-Ir⾦属探针，⾦薄膜（团簇）样品，⾼序⽯墨（HOPG）- 76 -样品等．【实验原理】1．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V 0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．经计算，透射系数图1 量⼦⼒学中的隧道效应)(22200016E V m a e V E V E T ≈=）（（1）由式中可见，透射系数T 与势垒宽度a 、能量差（V 0-E ）以及粒⼦的质量m 有着很敏感的依赖关系，随着a 的增加，T 将指数衰减，因此在宏观实验中，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时（通常⼩于1 nm ），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 是针尖的电⼦波函数与样品的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)exp(21S A V I b Φ?∝（2）式中V b 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数Φ≈ (Φ1+Φ2) /2，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．由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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，就可以直接得到样品的表⾯三维形貌图．图2 STM 基本构成2．STM 的结构和⼯作模式 STM 仪器由具有减振系统的STM 头部、电⼦学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组成（图2）．头部的主要部件是⽤压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x - y ⽅向- 77 -扫描电压的作⽤下，扫描器驱动探针在导电样品表⾯附近作x- y⽅向的扫描运动．与此同时，由差动放⼤器来检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压，反馈到扫描器，作为探针z⽅向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表⾯的⾼度．STM常⽤的⼯作模式主要有以下两种：（1）恒流模式如图3（a），利⽤压电陶瓷控制针尖在样品表⾯x-y⽅向扫描，⽽z⽅向的反馈回路控制隧道电流的恒定，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，当样品表⾯凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，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记录并显⽰出来，就得到了样品表⾯态密度的分布或原⼦排列的图像．这种⼯作模式可⽤于观察表⾯形貌起伏较⼤的样品，且可通过加在z⽅向的驱动电压值推算表⾯起伏⾼度的数值．恒流模式是⼀种常⽤的⼯作模式，在这种⼯作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率．（2）恒⾼模式如图3（b），针尖的x-y⽅向仍起着扫描的作⽤，⽽z⽅向则保持绝对⾼度不变，由于针尖与样品表⾯的局域⾼度会随时发⽣变化，因⽽隧道电流的⼤⼩也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表⾯态密度的分布．恒⾼模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，实现表⾯形貌的实时显⽰，但这种模式要求样品表⾯相当平坦，样品表⾯的起伏⼀般不⼤于1 nm，否则探针容易与样品相撞．【实验内容】1．准备和安装样品、针尖针尖在扫描隧道显微镜头部的⾦属管中固定，露出头部约5毫⽶．将样品放在样品座上，应保证良好的电接触．将下部的两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部轻轻放在⽀架上（要确保针尖和样品间有⼀定的距离），头部的两边⽤弹簧扣住．⼩⼼地细调螺旋测微头和⼿动控制电机，使针尖向样品逼近，⽤放⼤镜观察，在针尖和样品相距约0.5—1毫⽶处停住．2．⾦膜表⾯的原⼦团簇图像扫描运⾏STM的⼯作软件，单击“在线扫描”，出现“STM扫描控制”控制界⾯．“隧道电流”置为0.25～0.3nA，“针尖偏压”置为200 ~ 250mv，“扫描范围”设为1000nm左右，“扫描⾓度”设为0 ~ 90度，“扫描速度”设为0.1s / ⾏左右，“采样”设- 78 -为256，“放⼤倍率”设为1；选择“马达控制”，点击“⾃动进”, 马达⾃动停⽌后，不断点击“单步进”或“单步退”，直到“隧道电流”的显⽰杆落⼊｜｜区域之内；如此时“平衡”的显⽰杆尚未进⼊相应的｜｜区域之内，可使⽤控制箱⾯板上的“平衡”旋钮，将其调⼊；选择“扫描⽅式”，点击“恒流模式”进⾏扫描．扫描结束后⼀定要将针尖退回！“马达控制”⽤“⾃动退”，然后关掉马达和控制箱．3．图像处理（1）平滑处理：将像素与周边像素作加权平均．（2）斜⾯校正：选择斜⾯的⼀个顶点，以该顶点为基点，线形增加该图像的所有像数值，可多次操作．（3）中值滤波：对当前图像作中值滤波．（4）傅⽴叶变换：对当前图像作FFT滤波，此变换对图像的周期性很敏感，在作原⼦图像扫描时很有⽤．（5）边缘增强：对当前图像作边缘增强，使图像具有⽴体浮雕感．（6）图像反转：对当前图像作⿊⽩反转．（7）三维变换：使平⾯图像变换为⽴体三维图像，形象直观．4．⾼序⽯墨原⼦（HOPG）图像的扫描（选做）在上⾯实验的基础上，可进⼀步扫描⽯墨表⾯的碳原⼦．⽤⼀段透明胶均匀地按在⽯墨表⾯上，⼩⼼地将其剥离，露出新鲜⽯墨表⾯，保证样品台和样品座之间有着良好的电接触．采⽤恒流⼯作模式，先将“隧道电流”置于0.25～0.3 nA，“针尖偏压”置于-200～-250 mv，“扫描范围”设为1000 nm左右，“扫描⾓度”设为0～90度，“扫描速度”设为0.1s/⾏左右，“采样”设为256，“放⼤倍率”设为1，找出新鲜的⽯墨表⾯台阶；在两台阶之间选取⼀块平坦的地⽅，逐渐减⼩扫描范围，提⾼隧道电流，增加放⼤倍率（５倍或25倍，直⾄能渐渐看到原⼦图象；最后，“扫描范围”设为10 nm以下，“隧道电流”置于0.45 nA左右，“针尖偏压”置于-255 mv左右，并细⼼地维持“平衡”的显⽰杆在｜｜区域之内，这样扫描约20分钟，待其表⾯达到新的热平衡后，可以得到⽐较理想的⽯墨原⼦排列图像．【思考题】1．恒流模式和恒⾼模式各有什么特点?2．不同⽅向的针尖与样品间的偏压对实验结果有何影响?3．隧道电流设置的⼤⼩意味着什么？4．若隧道电流能在2%范围内保持不变，试估算样品表⾯的⾼度测量的误差．【参考⽂献】[1] G. Binning and H. Rohrer, Helv. Phys. Acta, 55 (1982) 726[2] H. -J. Guntherodt and R. Wiesendanger, Scanning tunneling microscopy Ⅰ-Ⅲ, Springer-Verlag,Berlin, 1992[3] 曾谨严, 量⼦⼒学, 科学出版社[4] ⽩春礼, 扫描隧道显微术及其应⽤, 上海科学技术出版社[5] C. Julian Chen, Introduction to scanning tunneling microscopy, Oxford University Press, 1993- 79 -。
STM扫描隧道显微镜
STM扫描隧道显微镜几十年来,人类研制成功了许多用于表面结构分析的现代仪器.例如光学显微镜、电子显微镜、离子显微镜、电子探针、衍射仪、能谱仪等等。
这些物理技术在表面科学研究领域都起着重要的作用；但它们的物理原理不同，作用范围、精度、环境条件等都不尽相同。
也就是说，每一种技术对表面微观结构观察与分析都有它自己的特长与意义，但每一种技术都必然受着自身原理的条件限制，只能在一定的领域内开展工作。
例如光学显微镜受其分辩率的影响无法分辩出表面的原子；高分辩率的透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相和界面研究。
X射线的光电子能谱等只能提供空间平均电子的电子结构信息；有的技术只能获得间接结果，还需要用试差模型来拟合等等。
虽然人们早就知道物质是由分子和原子组成的，但这大多是通过实验间接验证的。
1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer博士研制成世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）。
它的出现，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物理、化学性质。
而且在其测量过程中不会对样品形成任何损伤。
其惊人的原子分辩能力已被广泛地应用于材料科学、微电子科学、纳米加工技术等领域。
[实验原理]扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。
见图1：图1当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，根据经典力学理论，粒子不可能穿过此势垒，即透射系数等于零。
但按照量子力学原理，粒子越过势垒区而出现在另一边的几率不为零，这个现象称为隧道效应。
实验中，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）见图2:在外加电场作用下，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 和平均功函数Φ有关： )21exp(S A b V I Φ−∝（1） b V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数),21(21Φ+Φ⋅≈Φ1Φ和2Φ分别为针尖和样品表面的功函数。
扫描隧道显微镜STM-PPT课件
2.STM的原理
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隧道效应 Evaluation only. l 对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低 ted with于前方势垒的高度 Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 V0时，它不可能越过此势 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 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。
1.STM的发明
1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所 的Gerd Binnig和Evaluation Heinrich Rohrer 及其同事们成功地研 only. 制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道 with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) 。 它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd. 个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化 学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生 命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意 义和广阔的应用前景。 STM的发明被国际科学界公认 为20世纪80年代世界十大科技成就之一；由于这一杰 出成就Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。
ted
5.2
1.STM的发明
Evaluation only. ted with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2 Copyright 2019-2019 Aspose Pty Ltd.
扫描隧道显微镜的原理及应用演示文稿
STM的工作方式
恒流模式
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，即保持针尖与样品表面 之间的局域高度不变，针尖随着样品表面 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。这种工作方式获 取图象信息全面，显微图象质量高，应用 广泛
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。
• 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 • 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!
扫描隧道显微镜STM讲解材料
离变化的信息(该信息反映样品表由的起伏)，就可以得到样品表面的原子图像。
由于恒电流模式时，针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动．针尖不会因为
表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面。所以恒电流模式可以用于观察表面形貌
起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。
15
2.4 扫描隧道显微镜的工作模式
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2.4 扫描隧道显微镜的工作模式
STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式，如图所示。
恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回
路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和Py控制针尖在
样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距
针尖与试件间产生场发射电流。探针在试件表面扫描，可根据场发射电
流的大小，检测出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研 究，发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可产生隧道 电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他们观察到的Is和Vb间 为线性关系时，估计针尖-试件间的距离为1.2nm。可惜他们的研究到此 为止，虽然已经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效 应，于一项重大发明失之交臂，甚为可惜。
利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小 结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体 内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手 术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原 子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型 量子器件。
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2.3 扫描隧道显微镜的工作原理
场 发 射 原 理 在 1956 年 由 R.Young 提 出 ， 但 直 到 1971 年 R.Young 和 J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上， 是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压 电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上， 由反馈电路控制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲率 半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，
扫描隧道显微镜介绍讲稿
STM扫描隧道显微镜讲解稿大家好，今天由我来为大家讲解一些有关STM也就是扫描隧道显微镜的知识。
我们所熟悉的扫描电子显微镜SEM的分辨能力最大能通过二次电子观察到试样表面60 Å左右的细节，而今天我所介绍的STM能观测到样品原子级别的表面信息。
接下来我将从以下四个方面来介绍STM：第一，扫描隧道显微镜的发展过程；第二，扫描隧道显微镜的工作原理；第三，扫描隧道显微镜的工作模式；最后再介绍一下STM的特点以及由它发展而来的新型表征仪器。
首先，我们来看一下扫描隧道显微镜的发展过程。
目前，我们普遍认为显微镜大致可分为三代：第一代显微镜是在17世纪末由荷兰人列文虎克发明的光学显微镜；第二代显微镜是电子显微镜，根据德布罗意提出的微观粒子具有波动性，并且能量越大波长越短的观点，在20世纪20年代末，鲁斯卡利用电磁场人为控制电子束的运动方向，将通过样品后带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或相片底片上，从而形成分辨率极高的样品图像，在1933年成功研制了世界上第一台电子显微镜。
第三代显微镜便是我们今天要详细讲解的扫描隧道显微镜。
它是在1981年由美国IBM公司葛·宾尼和海·罗雷尔两位博士发明的，其针尖与样品间距1 nm，横向分辨率可达到0.1 nm，纵向分辨率可达到0.01 nm。
这是目前为止能进行表面分析的最精密仪器，国际科学界公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一，通过它既可观察到原子，又可直接搬动原子。
为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年，宾尼和罗雷尔这两位博士被授予贝尔物理学奖，下方的两张图分别是葛·宾尼和海·罗雷尔两位博士的照片。
扫描隧道显微镜的出现，使我们能够实时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，因其可直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造成任何损伤，而被广泛应用于表面科学、材料科学、生命科学等领域，并成为纳米加工的关键技术。
扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵技术
1985年
STM被授予诺贝尔物理学奖。
2000年
单原子操纵技术取得突破。
STM技术的应用领域
01
02
03
04
材料科学
研究表面结构、化学组成、电 子态等。
物理
研究表面物理现象，如表面量 子现象、表面相变等。
纳米科技
制造和操纵纳米结构，如纳米 电路、量子点等。
05 结论
STM和单原子操纵技术的重要性和意义
揭示物质表面结构和性质
STM通过测量隧道电流能够精确地探测物质表面的原子结构，而单原子操纵技术则能够实现对单个原子的精确操控， 这对于深入理解物质表面结构和性质具有重要意义。
促进纳米科技和材料科学的发展
STM和单原子操纵技术为纳米科技和材料科学领域的研究提供了强有力的工具，有助于推动相关领域的技术创新和 进步。
生物医学
研究生物分子结构和功能，如 蛋白质、DNA等。
02 STM的组成和工作原理
STM的组成
针尖
通常由钨或铂-铱合金制成，针尖的形状和 尺寸对STM的分辨率和成像质量至关重要。
扫描隧道显微镜主体
包括扫描隧道显微镜的控制器、扫描隧道显微镜的 信号处理系统、扫描隧道显微镜的电源系统等。
计算机系统
用于控制STM的扫描、采集和显示图像。
扫描隧道显微镜(STM)单原子操纵 技术
contents
目录
• STM技术概述 • STM的组成和工作原理 • 单原子操纵技术 • STM在单原子操纵中的应用 • 结论
01 STM技术概述
STM技术的原理
隧道效应
当两个导电物体非常接近时，一 个带电粒子的隧道效应可以穿过 它们之间的势垒，从一导电体流 向另一导电体。
扫描隧道显微镜优秀课件
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STM的实验步骤
• 准备针尖和样品 • 手动逼近样品和针尖，使之距离约为1mm；切忌使针尖与样品发
生相撞； • 设置参数：隧道电流；针尖偏压；软件控制马达，使针尖自动逼
近进入隧道区； • 根据不同的样品设置不同的扫描范围(金膜一般取700～900nm，石
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STM的仪器构造
STM Instrumentation
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STM的仪器构造
STM Instrumentation
STM由具有减振系统的STM 头部(含探针和样品台)、电 子学控制系统和包括A/D 多
功能卡的计算机组成。
• Tip
• Scanner
• Sample positioner
• Vibration isolation
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STM的基本原理
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STM的基本原理
1、隧穿效应 (Tunneling Effect) STM的工作原理是基于量子力学的
隧穿效应。 STM中最重要的概念隧穿电流(Tunneling current)可通过一维模 型简单说明。
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U0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。
• 1986年，STM的发明者宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
葛·宾尼(Gerd Binning)
海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)
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概况
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流的大小，检测出试件表面的形貌。 R.Young用形貌描绘仪继续进行研 究，发现当探针尖与试件间距离很近时，较小的外加偏压Vb即可产生隧道 电流，并且隧道电流Is的大小对距离z极为敏感。他们观察到的Is和Vb间 为线性关系时，估计针尖-试件间的距离为1.2nm。可惜他们的研究到此 为止，虽然已经有了以上发现，但是未在检测试件形貌时利用隧道电流效 应，于一项重大发明失之交臂，甚为可惜。
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2.透射电子显微镜（TEM）
TEM出现在20世纪30年代，到50年代进入实用阶段。透射电子显微镜和光学显微镜的原理 极为相似，只是用波长极短的电子束代替了可见光线，用静电或磁透镜代替光学玻璃透镜，最 后在荧光屏上成像。TEM的放大倍数极高，点分辨率可达0.3nm，线分辨率可达0.144nm，已 达原子级分辨率。用TEM观察物体内部显微结构时，可看到原子排列的晶格图像，并已观察到 某些重金属原子的投影图像。用TEM检测时，试件需放在真空室内。
利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小 结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体 内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手 术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原 子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型 量子器件。
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2.2 扫描隧道显微镜的发明
1982年，国际商业机 器公司(IBM)苏黎世研究所 的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer 及 其 同 事 们 成 功 地 研制出世界上第一台新型 的表面分析仪器，即扫描 隧 道 显 微 镜 (Scanning Tunneling Microscope) ， 它使人类第一次能够直接 观察到物质表面上的单个 原子及其排列状态，并能 够研究其相关的物理和化 学特性。因此，它对表面 物理和化学、材料科学、 生命科学以及微电子技术 等研究领域有着十分重大 的意义和广阔的应用前景。 STM 的 发 明 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；由于 这一杰出成就 ，Binnig和 Rohrer获得了1986年诺贝 尔物理奖。
TEM 是 通 过 电 子 束透过试件而放大成像 的，电子束穿透材料的 能力不强，故试件必须 做得极薄，加工这种极 薄的试件有相当难度， 故TEM的适用范围有限。
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3.表面轮廓仪
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术的提高，现在的测 量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖 曲率半径在0.05um左右，这就限制了测量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容 易划伤试件。
光学显微镜是在光学放大镜基础 上发明的，放大镜的物体形貌分辨率 可达到0.1mm。1665年发明了光学显 微镜，它可将被测物体放大数百倍。 光学显微镜经过多次改进，现在的放 大倍数达到1250倍。如果再采用油浸 镜头或用紫外光，放大倍数还能在提 高一些。光学显微镜使用方便，应用 广泛，但受光波波长的限制，放大倍 数无法再提高。
场 发 射 原 理 在 1956 年 由 R.Young 提 出 ， 但 直 到 1971 年 R.Young 和 J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上， 是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压 电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上， 由反馈电路控制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲率 半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，
一些新式的轮廓仪 配备了X、Y双向精密微 动工作台，探针在试件表 面进行X、Y双向往复扫 描，再用计算机处理信息， 可以得到表面微观形貌的 三维立体图像。这种轮廓 仪的检测原理和近代的 STM 、 SPM 和 AFM 极 为 相似，只是后者使用了更 尖锐的探针和更灵敏的探 针位移检测方法。
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5.场发射形貌描绘仪
第2章 扫描探针显微镜(SPM)
2.1 扫瞄隧道显微镜（STM）
2.1.1 扫描隧道显微镜发明前的微观形貌检测技术
任何一项发明都不是凭空产生的，都是在前面的工作的基础上的进化。扫描隧道显微镜也 不例外。扫描隧道显微镜是用来检测微观形貌的，在其发明以前，就有几种微观形貌检测技术 了，只是分辨率较低。
表面微观形貌的测量，从原理上可以分为两类：
第一类是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放 大成像检测方法的代表是光学显微镜和透射电子显微镜；光干涉 成像法的代表是光干涉显微镜和TOPO移相干涉仪。第二类是对 试件表面进行扫描，逐点检测，从而获得表面微观形貌的信息， 这一类检测方法的代表是表面轮廓仪和扫描电子显描隧道显微镜
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世界上第1台扫描隧道显微镜
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世界上第1台扫描隧道显微镜
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2.2 扫描隧道显微镜的发明
由于STM具有极高的空间分辨能力(平行方向的分辨率为 0.04nm，垂直方向的分辨率达到0.01nm)、它的出现标志着 纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技 术研究的正式起步，因为在此之前人类无法直接观察表面上的 原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。
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世界上第1台扫描隧道显微镜
在他们的诺贝尔奖讲演中，很遗憾地谈到，假如R.Young（场 发射形貌描绘仪的发明者）能够及时意识到真空中隧道效应的重要 性，假如他能及时想到缩小针尖与试件表面间的距离，那么STM公 布发表时的发明人名字就是R.Young了。遗憾的是，他们没有意识 到这一点，更没有去缩短那一点微不足道的该死的微小距离，于是 他们发明的所谓形貌描绘仪只能永远地在历史上被记载为一种最接 近STM的显微仪器了。令人惋惜的还有， R.Young还曾认真研究改 进他们的仪器，并试验过一些办法，但收效甚微。他曾一度想到了 隧道效应，并还讨论了谱图学方向的应用，但唯独没有想到应用到 他的形貌描绘以上。仅此一步没有深入下去，就使他们和一项重大 科技发明失之交臂，而空自叹息。