扫描隧道显微镜分析STM
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STM
STM的工作环境
溶液条件
化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之间发生化 学反应的示意。它是化学反应的重要过程。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分 子尺度的反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。
利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用， 使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、 “滑动”、“推动”三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转 移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。
5.STM的应用
STM的工作模式
恒高模式 x,y方向仍起着扫描的 作用，而Z方向则保持 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
3.STM的工作环境
大气和室温条件
在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和 MS2(二硫化钼) 3nm×3nm表面的原子图像。对于在大气中容易被氧化 的半导体或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原 子结构图像，而超高真空的环境是必要的。
(a)
(b)
STM的工作环境
超高真空和室温条件
在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。 图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。 其中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流 为0.6nA。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告引言：扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种重要的纳米尺度观测仪器，它通过利用量子隧穿效应来实现对表面原子的成像。
本实验旨在通过使用STM来观察和研究不同样品表面的原子结构和性质，以及探索STM在纳米科学和纳米技术领域的应用前景。
实验方法：1. 样品制备：选择不同材料的样品，如金属、半导体或绝缘体，并进行表面处理，如抛光或清洗，以确保表面平整和干净。
2. STM装置设置：将STM装置连接至计算机，并进行相关设置，如校准扫描范围和调整扫描速度等参数。
3. 样品安装：将样品固定在样品台上，并确保其与STM探针的接触良好。
4. 扫描图像获取：通过控制STM探针的运动，以及调整扫描电压和电流等参数，获取样品表面的原子级分辨率图像。
5. 数据分析：利用专业的STM图像处理软件对所获得的图像进行分析和处理，以提取样品表面的结构和性质信息。
实验结果与讨论：通过对不同样品进行STM观察，我们可以得到高分辨率的原子图像。
以金属样品为例，我们观察到了其表面的原子排列规律，如金属晶体的晶格结构。
通过测量原子之间的间距，我们可以获得样品的晶格常数，并进一步研究其晶体结构和晶体缺陷等特性。
在半导体样品的观察中，我们可以发现其表面的原子排列存在一定的有序性，但与金属样品相比，半导体样品的表面结构更为复杂。
通过对半导体晶体表面的原子分布进行分析，我们可以了解其晶体生长过程中的缺陷形成机制，并为半导体器件的制备和性能优化提供重要参考。
此外，我们还观察到了绝缘体样品的表面结构。
与金属和半导体样品不同，绝缘体样品的表面原子排列更为松散和无序。
通过对绝缘体样品表面的原子间隙进行测量，我们可以得到绝缘体材料的晶格参数和晶体结构信息，为其性质研究和应用提供基础。
扫描隧道显微镜不仅可以提供原子级分辨率的表面图像，还可以通过在不同扫描位置测量电流变化来研究样品的电子态密度分布。
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STM和原子力显微镜AFM
智能化与自动化
提高STM和AFM的智能化和自动化 水平，简化操作过程，提高测量效率。
STM和AFM在各领域的应用前景
表面科学
STM和AFM将继续在表面科学 领域发挥重要作用，研究表面
重构、吸附、反应等过程。
纳米技术
STM和AFM在纳米技术领域的 应用将更加广泛，涉及纳米材 料、纳米器件的制备与表征。
隧道电流。
电流控制
STM通过控制探针和样品之间的电 压和电流，使隧道电流保持恒定， 从而实现对样品表面形貌的扫描。
高分辨率
由于隧道电流对探针和样品之间的 距离非常敏感，STM能够实现原子 级分辨率的表面形貌成像。
AFM技术原理
原子力检测
反馈系统
AFM通过检测探针和样品之间的微小 原子力变化来获取样品表面的形貌信 息。
05 STM和AFM的未来发展 与展望
STM和AFM的技术创新与改进
更高的分辨率
随着技术的不断进步，STM和AFM 有望实现更高的空间分辨率，从而揭 示更细微的表面结构和特性。
实时原位测量
未来STM和AFM将进一步实现实时 原位测量，以便在动态过程中观察表 面结构和性质的变化。
多模式测量能力
开发具有多模式测量能力的STM和 AFM，能够同时获取多种物理信息， 从而更全面地了解表面性质。
扫描隧道显微镜STM和原子力显 微镜AFM
目录
• 引言 • STM和AFM的技术原理 • STM和AFM的优缺点比较 • STM和AFM的实际应用案例 • STM和AFM的未来发展与展望
01 引言
STM和AFM的定义与工作原理
要点一
扫描隧道显微镜STM（Scanning Tunneli…
利用量子力学中的隧道效应，通过测量针尖与样品之间的 微弱电流来获取样品表面形貌的显微镜。
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(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)
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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。
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△ 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)
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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
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。
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。
现代分析测试方法-STM
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 个电极之间的绝缘层流向另一电极； c) 隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离减小 0.1nm，I将增加一个数量级。 d) 记录隧道电流的变化并把信号输入计算机进行处理；在荧光屏或记 录仪上获得样品表面高分辨率信息；
STM恒电流模式：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。
扫描隧道显微技术特点
具有原子级空间分辨率：平行和垂直于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；
可实时地得到在实空间中表面的三维图像：可以得到单原子层表面的局部结 构，而不是体相的平均性质；因而可用于具有周期性或不具备周期性的表面 结构；可以直接观测局部的表面缺陷、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。
Spider-like defect on cleaved HOPG surface. 0.25x0.25 µ m scan(s) size. Mode: STM Topography (I=const)
STM atomic resolution on High-Oriented Pyrolytic Graphite. Mode: STM Topography (I=const)
主要特点：可选单/双真空室， 采用激光检测探针悬臂位移， 可以使用普通AFM针尖，降低实 验成本，CCD摄像机监视探针扫 描过程，可在真空环境中更换 样品和针尖；
扫描隧道显微镜移动原子的原理
扫描隧道显微镜移动原子的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种高分辨率的显微镜，它能够移动单个原子。
其原理基于量子力学中的量子隧道效应，通过探针与样品之间的电子隧穿电流来实现对原子的探测和移动。
STM的工作原理可以简单地描述为：在STM中，探针（Tip）与样品之间施加一个微小的电压差，使探针上的电子从高电势端流向低电势端。
当探针与样品之间存在微小的间隙时，由于量子力学的隧道效应，电子可以穿越这个间隙，形成一个微弱的电流。
通过测量隧道电流的大小和变化，STM可以得到样品表面的拓扑和电子结构信息。
STM的探针需要足够尖锐，通常由金属制成。
在实验中，将探针靠近样品表面，并通过精确的控制系统使得探针与样品之间的距离保持在纳米尺度。
然后，施加一个微小的电压差，使得探针的电子从高电势端流向低电势端。
由于探针与样品之间的间隙非常小，不同原子之间存在微小的电子隧道，从而形成了隧道电流。
隧道电流的大小和变化与探针与样品之间的距离以及样品表面的拓扑和电子结构密切相关。
当探针与样品之间的距离变化时，隧道电流的大小也会相应改变。
通过控制探针的运动，可以实现对样品表面的扫描，并获得其拓扑特征。
此外，由于隧道电流还受到样品表面电子态的影响，通过测量隧道电流的变化，可以获取样品表面的电子结构信息。
在STM中，控制系统起着关键的作用。
通过控制系统，可以实现对探针的精确定位和移动。
控制系统会根据隧道电流的大小和变化来调整探针与样品之间的距离，以保持隧道电流的恒定。
同时，控制系统还可以根据隧道电流的变化来调整探针的位置，实现对样品表面的扫描。
通过STM，科学家们可以实现对原子的探测和移动。
在实验中，可以利用探针与样品之间的电子隧道效应，将探针移动到目标原子的位置，并将其移动到其他位置。
这种原子级别的控制和操作，为研究材料的表面性质和微观结构提供了有力工具。
扫描隧道显微镜通过探针与样品之间的电子隧道效应，实现了对原子的探测和移动。
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。
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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，
扫描隧道显微镜的原理
扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的仪器，它可以在原子尺度上观察和操作物质表面的原子结构。
STM的原理是基于电荷隧穿效应，通过在探针和样品之间施加一定的电压，使电子以概率的形式从探针隧穿到样品表面，从而获得样品表面的拓扑形貌和电子结构信息。
在STM中，探针是一个锐利的金属尖端，通常由钨或铂铱制成。
这个探针被放置在与样品表面非常接近的位置上，通常只有几个纳米的距离。
当施加一定的直流电压时，由于量子隧穿效应的存在，电子可以从探针的表面隧穿到样品表面。
这个电流被称为隧穿电流，它与探针和样品之间的距离、样品表面的形貌和电子结构密切相关。
为了保持探针和样品之间的距离保持稳定，STM采用了一个反馈回路系统。
它通过测量隧穿电流的变化来调整探针和样品之间的距离，以保持隧穿电流的恒定。
这种反馈机制可以使STM实现高分辨率的成像，并且可以在原子尺度上进行操控。
通过测量隧穿电流的大小和变化，可以获得样品表面的拓扑图像。
由于电子的隧穿概率与距离的关系是指数衰减的，因此隧穿电流的大小和样品表面的高度之间存在着非常敏感的关系。
当探针在样品表面扫描时，隧穿电流的变化被记录并转换为图像，从而得到样品表面的形貌信息。
除了表面拓扑图像，STM还可以提供样品表面的电子结构信息。
在STM中，探针和样品之间的电流不仅取决于距离，还取决于样品表面的电子状态密度。
通过测量隧穿电流的能谱分布，可以获得样品表面的电子能级结构和局部密度状态。
这使得STM成为研究表面物理和表面化学现象的强大工具。
扫描隧道显微镜的发展使得科学家们能够在原子尺度上观察和操作物质，为凝聚态物理、表面科学和纳米科技的发展提供了重要的工具。
它不仅可以帮助我们更好地理解物质的基本性质，还可以在纳米材料的制备和纳米器件的研发中发挥重要作用。
随着技术的不断进步，STM的分辨率和功能得到了进一步提高，使得更多的物理和化学现象可以在原子尺度上得到研究和探索。
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STM和原子力显微镜AFM分析技术
1
I Vb exp( A 2 S )
三、 扫描隧道显微镜的基本原理
尖锐金属探针在样品表面扫描，利用针尖-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 征图象。
图 STM的基本原理图
4）分辨率高，扫描隧道显微镜在水平和垂直分 辨率可以分别达到0.1nm和0.01nm。因此可直接观 察到材料表面的单个原子和原子在材料表面上的三 维结构图像。
5）在观测材料表面结构的同时，可得到材料表 面的扫描隧道谱（STS），从而可以研究材料表面 化学结构和电子状态。
6）不能探测深层信息，无法直接观察绝缘体。
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。
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：
T
16E(V0
E)
2a
0-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，
2. 机械设计（扫描控制）
机械设计应满足：
1）Z方向伸缩范围≥1μm，精度约为 0.001nm；
2）X、Y方向扫描范围≥1μm ×1μm，精度约 为0.01nm；
3）Z方向机械调节精度高于0.1μm ，精度至少 应在压电陶瓷驱动器Z方向变化范围，机械调节范 围>1mm；
4）能在较大范围内选择感兴趣的区域扫描； 5）针尖与样品间距离d具有高的稳定性。
隧道电流的变化曲线
∆Z有0.1nm的变化； ∆ IT即有数量级的变化
隧道电流的变化曲线
四、 扫描隧道显微镜的工作模式
根据针尖与样品间相对运动方式的不同，STM有 两种工作模式：恒电流模式（a）和恒高模式（b）。
扫描隧道显微镜实验
扫描隧道显微镜（STM ）实验[实验目的]1.学习和了解扫描隧道显微镜的结构和原理；2.观测和验证量子力学中的隧道效应；3.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.学习用计算机软件来处理原始数据图像。
[实验原理]一．隧道电流扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)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，当一个粒子的动能低于前方势垒的高度时，他不可能越过此势垒，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(如上图)，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，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。
经计算，透射系数为：由式(1)可见，与势垒宽度，能量差以及粒子的质量有着很敏感的关系。
随着势垒厚(宽)度的增加，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。
隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离以及平均功函数有关： 式中是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数，和分别为针尖和样品的功函数，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1nm 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。
二．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
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。
扫描隧道显微镜分析原理及方法
扫描隧道显微镜 (1981)
tip
10A
sample
A
tunneling current
A＝3
隧道电流 I
分辨率 = A + ) e2 d
(nm) 0.1 eff 0.05nm
原理：
1
I V b exp( A2 S)
STM仪器：
电子反馈系统控制隧 道电流
计算机控制针尖扫描 针尖将随样品表面起
HL-II 型扫描探针显微镜•长度定标功能
HL-II 型扫描探针显微镜
局限性与发展:局限
不能准确探测微粒间的某些沟槽 要求样品必须是导体、半导体
局限性与发展:发展
AFM (Atomic Force Microscope) LFM (Laser Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) BEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope) SICM (Scanning Ion-Conductance Microscope) STP (Scanning Tunneling Potentiometry) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)
计算机控制系统：硬件
计算机控制系统：软件
扫描
表面扫描 扫描隧道谱 功函数谱
定标
定标视图
图象处理
滤波 对比度拉伸 三维表面显示
纳米加工
HL-II 型扫描探针显微镜
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In Touch with Atoms
Gerd Binnig Heinrich Rohrer
2.STM的原理
1、 隧道效应
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， 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，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：
（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。
STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构、 面结构及有吸附质覆盖后表面的重构结构，还可以观察到表 面存在的原子台阶、平台、坑等结构缺陷。
4..STM在纳米分析中的应用
实现了单原子和单分子操纵
利用STM针尖与吸附在材料 表面的分子之间的吸引或排斥作 用，使吸附分子在材料表面发生 横向移动，具体又可分为“牵 引”、“滑动”、“推动”三种 方式 通过某些外界作用将吸附分 子转移到针尖上，然后移动到新 的位置，再将分子沉积在材料表 面 通过外加一电场，改变分子 的形状，但却不破坏它的化学键
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 CHEMISTM的结构
STM的工作方式
图4 恒流模式
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。
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 )
表征分析
————扫描隧道显微镜分析STM
（SCANNING TUNNELING MICROSCOPE）
By
目录
1.STM的产生 2.STM的原理 3..STM的特点 4..STM在纳米分析中的应用 5.参考文献
1.STM的产生
•1982年，IBM Zurich 实验室的Gerd Binnig(宾尼)和 Heinrich Rohrer（罗雷尔）研制出世界上第一台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。他们获得1986年诺贝尔物理学奖。
STM的工作方式
图5 恒高模式
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.STM的特点
(1)具有原子级的分辨率，横向和纵向分辨率分别可达到0.1nm 和0.01nm，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的信息，甚至可直接观察到表面单个的 键。 (3)可观察表面局域的原子结构或电子结构，而非平均性质，因 而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附物的形态和 位置、以及由吸附引起的表面重构等。 (4)可以在真空、大气、常温、低温等不同环境下工作，还可 以在液体环境下工作，制样技术比较简单； (5)对样品表面的测量是非破坏的，因为针尖在距样品约lnm处 扫描，偏压很小，隧道电流亦很小，因此对表面不造成损伤。
a为势垒宽度，m为粒子质量， 为常数 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。
T exp(
2a
2 m (V 0 E ) )
2.STM的原理
由于电子的隧道效应，金属中电子云密度并不在表 面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指 数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线 度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品) 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，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。