扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜STM
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
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．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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。
扫描隧道显微镜STM
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表 面的单个Fe原子在13K的温度下成键，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
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2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
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2.STM的原理
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。
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溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
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图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
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工作原理
隧道效应
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。
"... I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics"
Richard P. Feynman
In classical physics e flows are not possible without a
STM应用
扫描探针显微镜在光盘、磁盘的表面结构分析中 也获得了广泛的应用。
此外，扫描探针显微镜还可以用于修整材料缺陷， 改变材料特性，或是修整电子器件，从而使材料 和电子器件的特性达到最佳化。 美国能源部实验室的科学家卡兹墨斯基借助于原 子加工显微镜在材料表面掺杂后，N型材变成了P 型材料
STM应用
原子操纵 扫描探针显微镜所提供的单个原子、分子的操纵手段还可 能导致原子级的计算机开关器件的诞生。 相当方便面地移走材料表面的某一种原子和搬来另一种原 子，从而形成一种新材料。这一切在数分种内就可以完成。 这种显微镜最激动人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的 计算机和毫微芯片。
合成橡胶缓冲垫
金属板
橡胶垫
弹簧悬挂
STM的应用微电子学研究
微电子器件的制造过程中
能在不接触表面的情况下绘制出电子元件 表面图象，不论这些元件的组成成份如何， 这对监督和改进亚微米集成电路的工艺具 有突出的作用。
具有不损伤器件的特点以及高的空间分辨 率
STM应用
基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术 （Nanolithgraphy）。
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
图中针尖与样品间隔 占约lnm，针尖与在X、 Y和Z三个方向上互成 直角的三根压电陶瓷 相连。电压改变时， 压电陶瓷即伸长或收 缩，其灵敏度或分辨 率可达10-2nm。
改变加在X和Y方向压
电陶瓷的电压，针尖 即可在XY平面上扫描； 改变Z方向上的电压， 针 尖 即 可 在 纵 向 (Z 方 向)升降使针尖与样品 间距离改变。
恒流工作模式可用于 起伏较大的表面，是 最常用的模式。恒高 模式则是在扫描时保 持针尖的高度不变 (间距S在变)，观测 隧道电流的变化与X 和Y位置的关系。
这也反映出表面形 貌的变化，这种模 式可以扫描较快， 但对起伏较大的表 面，扫描时针尖易 与表面相碰使针尖 损坏。
二、STM仪器
STM仪器为了实现原子级分辨率，需要解决 诸如隔绝振动、机械设计、电路及样品制备中 的一系列技术关键。
但根据量子力学，电子 具有波动性，电子能够以 一定几率穿过势垒，这就 是所谓的隧道效应。
例如，当一个金属针尖 和一个导电样品很接近时 (相距约lnm)，尽管两者间 仍是一很薄的绝缘层，有 较高的势垒，但两者波函 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， 电子即可穿过其间的势垒 产生所谓隧道电流。
可使针尖被驱动，也可使样品被驱动，Z方向 的伸缩范围约μm，分辨率达10-3nm；X-Y方 向的扫描范围至少μm，精度达10-2nm。
为了能方便地换样品，换样品后能快速
使针尖和样品接近而又不相互碰撞，需要 粗调装置，粗调到Z压电陶瓷能用电压调 节的区域(一般几十纳米)，然后通过Z压 电陶瓷细调到产生所需隧道电流的状态 (约 l nm)。
还可用高定向热解石墨(HOPG)及MoS2或单 晶金作为载体，它们表面平整度很好，可以载 负生物或有机分子进行研究。在空气中则多用 这类载体，载负某些分子进行研究。
17.5 扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜
主要内容：
• 扫描隧道显微镜的成像原理 • 扫描隧道显微镜的结构和工作原理 • 扫描隧道显微镜的工作模式 • 扫描隧道显微镜在材料研究中的应用
扫描隧道显微镜的成像原理
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（＜1.0 nm）时，当在它们之间施加一偏置电压Vb(Vb通常 为2 mV-2 V)时，电子就可以因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖)而形成
扫描方向 探针
样品
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。 此模式通常用来测 量表面形貌起伏不 大的样品。
扫描隧道显微镜在材料研究中的应用
测 试 环 境 ： 大气、真空、液体状态；单晶、多晶及非晶样品；从液氦温度到上千度的高温。 应用：观察表面原子结构形貌图；实现了材料表面的探伤及修补；实现了单原子和单分子 操纵；在分子水平上构造电子学器件。 优点：分辨率极高；可得到实时、真实的样品表面的高分辨率图象；使用环境宽松；应用 领域宽广；价格相对电子显微镜等大型仪器较低。 局限：在恒电流工作模式下对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测；只能用于观 察导体和半导体等导电材料的表面结构；工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料 在南方应选铂金：
I∝Vbexp(-kΦ1/2s) 式中：k为常数，在真空条件下约等于1； Φ为针尖与样品的平均功函数；s为针尖与样品
表面之间的距离，一般为0.3-1.0nm。
距离减小/增加0.1nm，隧道电流即增加/减少约一
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
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。
扫描隧道电子显微镜
扫描隧道电子显微镜编辑锁定本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)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，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
中文名扫描隧道电子显微镜外文名scanning tunneling microscop简称STM发明者格尔德·宾宁目录1. 1 定义2. 2 背景3. 3 发展1. 4 原理2. 5 工作方式3. ▪恒流模式4. ▪恒高模式1. 6 应用2. 7 展望定义编辑扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)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,利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。
通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。
背景编辑透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。
扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面” 总在一定深度上，而且分辫率也受到很大限制。
场发射电子显微镜（FEM)和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成象（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。
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
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。
扫描隧道电子显微镜
扫描隧道电子显微镜扫描隧道电子显微镜（scanning tunneling microscope，缩写为STM），亦称为扫描穿隧式显微镜，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·宾宁及海因里希·罗雷尔在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。
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。
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 基本结构2.1 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。
扫描隧道显微镜
STMs可用于表面改性研究，通过控制表面的原子排列和电子结构 ，实现材料性能的优化。
表面化学反应
STMs可以实时监测表面化学反应过程，研究反应机理和动力学， 有助于开发新的化学反应路线。
纳米科技
纳米结构制备
STMs可以用于制备各种纳米 结构，如纳米线、纳米颗粒、 纳米管等，为开发新型纳米材
01
STMs与其他测量技术的 比较
原子力显微镜（AFM）
总结词
原子力显微镜（AFM）是一种常用于表面形貌测量的技 术，它利用原子之间的相互作用力来成像样本表面。
详细描述
AFM技术具有原子级分辨率，可以用于研究不同材料表 面的纳米级形貌和物理性质。与STMs相比，AFM的优 点在于其操作简单、适用范围广，对样本无损伤，缺点 在于其分辨率较低，对测量环境要求较高。
原子级分辨成像技术（ARP）
总结词
原子级分辨成像技术（ARP）是一种通过离子束或电子束轰 击样本表面来实现原子级分辨率成像的技术。
详细描述
ARP技术具有极高的分辨率，可以用于研究表面原子结构、 化学成分分布以及表面物理性质等。与STMs相比，ARP的优 点在于其分辨率高、测量速度快，缺点在于其对测量环境要 求较高，且容易对样本造成损伤。
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命过程的分子机制。
药物开发
STMs可以用来研究药物与生物 分子的相互作用，为新药开发提 供工具和手段，帮助开发出更有
效的药物。
生物医学应用
STMs在生物医学领域也有广泛 的应用，如细胞成像、组织结构 分析、生物材料表征等，有助于 深入了解生物组织和器官的结构
和功能。
01
STMs的发展趋势与挑战
提高空间分辨率与测量稳定性
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。
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实验目的⏹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。
实验原理⏹引言1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling 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20世纪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所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．[ ]⏹隧道电流扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)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)这个现象称为隧道效应。
[ ]⏹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。
[ ]实验仪器和样品⏹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。
[ ]⏹三维扫描控制器压电陶瓷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。
所谓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。
三维扫描控制器用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。
左图给出了这几种类型的结构示意简图，其中：◆(a)为三脚架型，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。
◆(b)为单管型，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。
◆(c)为十字架配合单管型，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。
Binnis和Rohrer等人早期在IBM苏黎世实验室设计的STM中，采用一个叫作“虱子”（Louse）的粗调驱动器（见下图）样品粗调驱动器粗调驱动器(L)由连成三角形的三条相互绝缘的压电陶瓷材料和三只金属脚（MF）构成．MF外镀一层高绝缘薄膜，使其与水平金属台板(GP)高度绝缘．在MF和GP之间加上电压，由于静电作用MF就被吸在GP上，去掉电压，MF则被“释放”．如果把两只MF固定在GP上，同时在构成三角形的压电陶瓷条中的相应两条施加电压，由于这两条压电陶瓷材料的膨胀或收缩（依据所加电压的符号），另一只没有固定的MF就会作微小移动．再把这只MF固定而放松前两只MF，同时去掉加在压电陶瓷上的电压，使其长度复原．这一循环的结果是“虱子”爬行了一步以适当的顺序控制加在压电陶瓷上和MF上的电压和频率，可以使“虱子”在GP上沿不同方向一步步爬行．一般每步在10μm 至许1μm之间，每秒可爬行30步．用这个方法可以把样品移动到与探针适当的距离和位置，也可以把样品从探针处移开，以便作清洁处理和其它测量．总结各种样品与针尖粗调机构，主要可以分为下三种：爬行方式：利用静电力、机械力或磁力的夹紧，并配合压电陶瓷材料的膨胀或收缩，使样品架或什尖向前爬行，如前所述“虱子”型的样品移动台和压电陶瓷步进电机都属于这一种．◆机械调节方式：利用一个或多个高精度的差分调节螺杆，配合减速原理靠机械力调节样品的位置．当然差分调节螺杆的旋转可以手动，亦可由步进电机等方式驱动．◆螺杆与簧片结合方式：用一个高精度调节螺杆直接顶住一个差分弹簧或责片系统来调节．各种方式都各有千秋，第一种方式常在真空条件下使用，第二种方式在大气环境中用的较多，而在低温条件下，多采用第三种方式．⏹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。
[ ]⏹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。
[ ]⏹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[ ]⏹测量用样品光栅样品理想的光栅表面形貌如图，为1μmX1μm的光栅表面形貌图。
使用扫描隧道显微镜，对于这种已知的样品，很容易测得它的表面形貌的信息。
新鲜的光栅表面没有缺陷，若在测量过程中发生了撞针现象，则容易造成人为的光栅表面的物理损坏，或者损坏扫描针尖。
在这种情况下往往很难得到清晰的扫描图象。
此时，除了采取重新处理针尖措施外，适当的改变一下样品放置的位置，选择适当的区域进行扫描也是必要的。
石墨样品当用扫描隧道显微镜扫描原子图象时，通常选用石墨作为标准样品。
石墨中原子排列呈层状，而每一层中的原子则呈周期排列，表面形貌如右图。
由于石墨在空气中容易氧化，因此在测量前应首先将表面一层揭开（通常用粘胶带纸粘去表面层），露出石墨的新鲜表面，再进行测量。
因为此时要得到的是原子的排列图象，而任何一个外界微小的扰动，都会造成严重的干扰。
因此，测量原子必须在一个安静、平稳的环境中进行，对仪器的抗震及抗噪声能力的要求也较高。
未知样品通过对已知样品的测量，我们可以确定针尖制备的好坏，选择一个较好的针尖，对未知样品进行测量。
通过对扫描所得的图象进行各种图象处理，来分析未知样品的表面形貌信息。
实验方法提示⏹将一短长约三厘米的铂铱合金丝放在丙酮中洗尽，取出后用经丙酮清洗的剪刀剪尖，在放入丙酮中洗几下（在此后的实验中干万不要碰针尖！）。
将探针后部略微弯曲，插入头部的金属管中固定，针尖露出头部约5毫米。
⏹将样品放在样品台上，应保持良好的电接触。
将下部两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部轻轻放在之加上（要确保针尖与头部间有一段距离），头部两边用弹簧扣住。
小心的调节螺旋测微头，在针尖与样品间距约为0．5mm处停住。
⏹运行STM工作软件，扫开控制箱，将“隧道电流”置为0．5 nA，“针尖偏压”置为50 mV，“积分”置为5.0，点击“自动进＼至马达自动停止。
金的扫描范围置为800－900 nm，光栅的是3000 nm左右。
开始扫描。
可点击“调色板适应”以便得到合适的图像对比度，并调节扫描角度和速度，直到获得满意的图像为止。
一般，观察到的金的表面由团簇组成，而光栅的表面一般比较平整，条纹刻痕较浅，在不同角度观察到的方向不同。
⏹实验结束后，一定要用“马达控制”的“连续退”操作将针尖退回，然后再关闭实验系统。
⏹STM仪器比较精致，而且价格昂贵，操作过程中动作一定要轻，避免造成设备损坏。
图像处理⏹平滑处理：将像素与周边像素做加权平均。
⏹斜面校正：选择斜面的一个顶点，以该顶点为基点，现行增加该图像的所有像数值，可多次操作。
⏹中值滤波：⏹傅立叶变换：对图像的周期性很敏感，在做原子图像扫描时很有用。
课程安排⏹第一周：原理简介与上机模拟；课后作手资料定向查询并准备实验报告。
⏹第二周：演示与学生实验：先用铁丝作探针练习，熟练后再用铂铱合金丝制作针。
指定样品（光栅）的测量。
⏹第三周：改变电压及扫描角度重新扫描，进行图像处理。
课后资料定向查询并完成实验报告。
报告内容:心得、体会及建议；STM在某个领域的应用或STM仪器的某部件的原理.⏹第四周：宣讲实验报告，每人15分钟（包括5分钟提问）。
实验思考题⏹扫描隧道显微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？⏹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？⏹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有何影响？⏹实验中隧道电流设定的大小意味着什么？在扫描隧道显微镜基础上发展起来的各种新型显微镜在扫描隧道显微镜出现以后，又陆续发展了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪（STP）等等。
这些新型的显微镜，都利用了反馈回路控制探针在距离样品表面1nm处或远离样品表面扫描（或样品相对于探针扫描）的工作方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得的有关表面的各种信息，对STM的功能有所补充和扩展。
[ ]⏹原子力显微镜（AFM）扫描隧道显微镜工作时要检测针尖和样品之间隧道电流的变化，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构。