扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理
第六部分量子物理基础习题
第六部分 量子物理基础 习题：1.从普朗克公式推导斯特藩玻尔兹曼定律。
（提示：15143π=-⎰∞dx e xx）解：λλπλλλd e hc d T M T M T k hc⎰⎰∞-∞-==52000112),()(令x Tk hc =λ，则dx kTxhc d 2-=λ，所以442545034234025252015212)(11)(2112)(TTch kdxexTc h k dxkTxhc e hckTx hc d e hc T M xxT k hcσπππλλπλ=⋅⋅=-=--=-=⎰⎰⎰∞∞∞-证毕。
2.实验测得太阳辐射波谱中峰值波长nm m 490=λ，试估算太阳的表面温度。
解：由维恩位移定律b T m =λ得到K bT m3931091.51049010897.2⨯⨯⨯==--＝λ3.波长为450nm 的单色光射到纯钠的表面上（钠的逸出功A ＝2.29eV ），求： （1）这种光的光子能量和动量； （2）光电子逸出钠表面时的动能。
解：（1） 2.76eV J 1042.4104501031063.6199834＝＝－－⨯⨯⨯⨯⨯===-λhchv Es m /kg 1047.1104501063.6hp 27934⋅⨯⨯⨯--－＝＝＝λ（2）由爱因斯坦光电效应方程，得光电子的初动能为eV A hv E k 47.029.276.2=-=-=4.铝的逸出功是4.2eV ，现用波长nm 200=λ的紫外光照射铝表面。
试求： （1）发射的光电子的最大动能； （2）截止电压； （3）铝的红限频率。
解：（1）由光电效应方程得光电子的最大动能为J 102.3106.12.4102001031063.619199834－－－－＝⨯⨯⨯-⨯⨯⨯⨯=-=-=A hcA hv E k λ（2）截止电压V 0.2106.1102.319190＝－－⨯⨯==eE V k（3）红限频率Hz 1001.11063.6106.12.41534190⨯=⨯⨯⨯==-－hA v5.在一次康普顿散射中，传递给电子的最大能量为MeV E 045.0=∆，试求入射光子的波长。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告篇一：近代物理实验-扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告摘要：本实验我们将从了解扫描隧道显微镜原理出发，熟悉各部件的工作原理和功用，掌握描隧道显微镜的操作和调试过程，通过对隧道效应和样品表面的形貌观测初步体会描隧道显微镜在微观观测和操作领域的重要作用，学会用计算机软件处理原始图象数据。
关键词：扫描隧道显微镜、隧道针尖、工作原理工作模式仪器构成引言：社会发展、科技进步总伴随着工具的完善和革新。
以显微镜来说吧，发展至今可以说是有了三代显微镜。
这也使得人们对于微观世界的认识越来越深入，从微米级，亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。
1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出的世界上第一台扫描隧道显微镜（简称STM）已达纳米级别。
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，因此荣获了学界最高荣誉诺贝尔奖。
在扫描隧道显微镜的基础上又衍生出多种观测仪器，继承了其在微观测量领域的显著优势，逐步改进其缺陷。
正文：1 工作原理扫描隧道显微镜的工作原理是电子的隧道贯穿，也就是量子力学中的隧道效应。
电子云占据在样品和探针尖之间。
电子云是电子位置具有不确定性的结果，这是其波动性质决定的。
导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。
这样，通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。
探针在表面上扫描时，有一套反馈装置去感受到这一电子流（叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上（图1）或者使得电子流保持在一定数值下。
探针尖即可以以这两种方式描过表面的轮廓。
读出的针尖运动情况经计算机处理后，或在银幕上显示出来，或由绘图机表示出来。
自旋极化扫描隧道显微镜原理
自旋极化扫描隧道显微镜原理自旋极化扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种高分辨率的表面成像技术，能够直接观察原子尺度下的表面结构和电子状态。
其原理基于量子隧道效应和自旋极化效应的结合。
我们来了解一下量子隧道效应。
根据量子力学原理，当两个物体之间存在一个很薄的障壁时，粒子仍有一定的概率穿过障壁。
在STM 中，利用这一原理，通过在样品表面和探针之间建立一个纳米级的隧道障壁，使得电子能够通过这个隧道进行隧道传输。
当探针靠近样品表面时，电子会通过隧道效应从探针的尖端跃迁到样品表面上。
而自旋极化效应则是指电子带有自旋这一内禀属性，其自旋方向可以用“上”和“下”来表示。
自旋极化扫描隧道显微镜利用自旋极化的电子来观察表面的磁性信息。
在实际操作中，可以通过在探针尖端引入一个磁性原子，使得探针上的电子自旋发生极化。
当探针与样品表面接触时，这些自旋极化的电子会与样品表面上的自旋相互作用，从而产生一种称为自旋极化电流的物理量。
通过测量这种电流的大小和方向，可以获得样品表面上的自旋信息。
通过对隧道电流信号的测量和分析，STM可以实现对样品表面原子排列的高分辨率成像。
其空间分辨率可达到原子级别，甚至可以观察到单个原子和分子的结构。
此外，STM还可以通过调节探针与样品之间的隧道电流强度，实现原子尺度的表面成分分析和表面态密度测量。
自旋极化扫描隧道显微镜凭借量子隧道效应和自旋极化效应的结合，实现了对原子尺度下表面结构和电子状态的直接观察。
它的应用不仅帮助我们深入理解物质的微观世界，还在纳米科技、材料科学和表面物理等领域发挥着重要的作用。
通过不断的技术改进和创新，相信自旋极化扫描隧道显微镜将进一步推动科学研究的发展和进步。
扫描隧道显微镜与原子力显微镜原理及应用介绍
缺点: 对试样仍有较高要求,特别是平整度. 实验结果对针尖有较高的依赖性(针尖效应). 仍然属于表面表征技术,需和其他测试手段结合
谢谢大家！
3.STM的工作模式
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。
原子力显微镜
（Atomic Force Microscope , AFM） 报告人：董卫民 施淑颖
1.STM的发明
1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔及其同事们成功 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；由于这一杰出成就宾尼和罗 雷尔获得了1986年诺贝尔物理奖。
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。
2.STM的原理
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：
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用引言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，而且分辨率也受到很大限制。
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像（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。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；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、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料一、扫描隧道显微镜的介绍扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，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。
扫描隧道显微镜成像原理
扫描隧道显微镜成像原理扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种使用近期发展起来的高分辨率显微技术。
它是由希刺宁和伯曼两位诺贝尔物理学奖得主于1981年共同发明的，其原理基于量子力学中的隧道效应。
隧道效应是指当具有波粒二象性的粒子（如电子）在两个不同能级之间存在势垒时，依然有一定概率穿过势垒进入另一侧的现象。
在STM中，将一个尖锐的导电探针（通常是铂铱合金）放置在样品表面上，探针与样品之间建立微小的电压差，形成微小的电流。
当调节电压差使得电流稳定，探针表面的电子会隧道穿过样品表面的势垒，产生微小的隧道电流。
针尖与样品之间的隧道电流与尖端与样品之间的距离密切相关。
当探针与样品之间的距离足够近时，隧道电流会非常敏感地变化。
通过使探针在样品表面进行细微的位置调整，可以测量针尖与样品之间的距离变化，进而得到样品表面的拓扑结构信息。
为了实现高分辨率成像，STM需要在真空环境下进行操作，以避免气体分子与探针的干扰。
探针和样品的表面都必须非常光洁，通常需要使用化学方法或者高温处理来净化。
此外，探针和样品表面的电导率也会影响扫描结果，因此需要选择合适的探针材料和样品。
STM广泛应用于凝聚态物理、表面科学以及纳米技术等领域。
它可以提供原子级别的表面形貌信息，帮助科研人员研究材料的表面性质、晶格结构和表面反应等。
同时，STM还可以通过通过在原子尺度上移动和操纵探针，进行纳米尺度的加工，开展纳米器件制备和操作。
它的发展对于材料科学和纳米技术领域的研究和应用具有重要意义。
在使用STM时，需要注意保持实验环境的稳定性，避免干扰因素的干扰。
此外，样品的准备和操纵也需要非常小心，避免对样品造成损害。
仪器的使用者需要具备一定的物理学和表面科学方面的知识，熟练掌握STM的操作方法。
总之，扫描隧道显微镜通过利用隧道效应实现了高分辨率成像。
它在材料科学和纳米技术领域发挥着重要作用，为我们研究和理解原子尺度的世界提供了有力工具。
利用扫描隧道显微镜进行原子尺度表面成像的指南
利用扫描隧道显微镜进行原子尺度表面成像的指南在现代科学和技术领域，原子尺度表面成像是一项非常重要的技术。
其中，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）作为一种拥有原子分辨率的表面成像仪器，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
本文将为读者提供一个利用STM进行原子尺度表面成像的指南。
一、STM基本原理STM基于量子力学中的隧道效应原理。
简单来说，STM使用一根尖端靠近样品表面，并通过扫描尖端与样品之间的隧道电流来获取表面形貌信息。
尖端与样品之间存在隧道效应是因为电子具有粒子与波动性质，可以以概率方式穿越类似于能隙的绝缘层。
二、STM操作与参数调节为了获得高质量的STM图像，正确操作和参数调节是至关重要的。
首先，保持相对湿度和温度的稳定是必不可少的，以减少样品表面的污染和腐蚀。
其次，正确安装尖端是关键。
尖端的制备通常需要利用金刚石切割和电子热弯等技术，确保尖端尖锐度和表面纯度。
最后，对于参数调节，包括隧道电流和扫描速度等，需要根据具体实验条件和样品性质进行精确的调节。
三、STM成像操作步骤STM成像操作步骤通常包括样品准备、尖端定位和成像调节。
首先，样品表面应通过清洗和处理等方法，获得适合成像的平整和干净表面。
其次，尖端应通过定位步骤将其靠近样品表面，并通过电压调节确保尖端与样品之间形成隧道电流。
最后，通过对扫描电压、扫描范围和扫描速度等参数进行调节，可以得到高质量的STM图像。
四、STM在材料科学中的应用STM在材料科学中的应用非常广泛。
其中，其最重要的应用是对材料表面形貌和结构的研究。
利用STM，科学家们可以观察到材料表面的原子排布、晶格结构和缺陷等信息。
此外，STM还可以用于研究材料表面的电子结构和局域表面态等性质。
这些研究不仅有助于深入理解材料的物理和化学性质，还对新材料的设计和应用具有重要意义。
五、STM在生物科学中的应用除了在材料科学中的应用，STM在生物科学领域也有广泛应用。
扫描隧道显微镜技术以原子尺度分辨表面形貌
扫描隧道显微镜技术以原子尺度分辨表面形貌扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种基于量子力学原理的显微镜技术，能够以原子尺度的分辨率观察和操纵物质表面的形貌。
它是由冯·金斯伯格于1981年发明的，凭借着其出色的分辨能力，对固体材料、化学和物理等领域的研究有着深远的影响。
STM的工作原理基于所谓的隧道效应，这是量子力学中的一种现象。
当在固体表面上移动一个非导电探针时，由于探针和表面之间存在一定的电压差，电子可以通过量子隧道效应穿过空隙传导出去。
探针的运动轨迹和电流强度可以提供有关表面形貌和物理性质的珍贵信息。
为了在STM中获得原子尺度的分辨率，需要一根非常尖锐的探针。
常用的探针材料包括钨和铂铱合金。
探针与表面的距离通常在纳米量级，由于量子隧道效应的限制，探针与表面之间的距离需要保持一定的范围内。
通过测量隧道电流的变化，STM可以绘制出物体表面的原子级形貌。
这种图像通常以灰度图的形式呈现，其中不同的灰度值代表了表面的高度差异。
通过调整探针和表面之间的距离，可以实现非常精确的高度控制，甚至可以在原子级别上操纵物体表面的原子。
除了表面形貌的观察，STM还可以用于研究材料的电子结构。
通过在表面施加外部电压，可以观察到电子在物体表面的运动，从而探索材料的导电性质和能带结构。
扫描隧道显微镜技术在材料科学、纳米科学和凝聚态物理等领域发挥着重要作用。
它不仅可以用于观察材料的表面形貌和电子结构，还可以用于研究材料的磁性、化学反应和生物分子等方面。
通过STM的应用，科学家们可以更好地理解和设计新的材料，推动纳米技术的发展和应用。
然而，扫描隧道显微镜技术也存在着一些局限性。
首先，由于几何限制和电磁干扰，STM只能用于观察导电或半导体材料表面。
其次，由于材料表面可能存在的污染物或氧化层，实际样品的表面形貌可能与理想情况有所差异。
此外，STM的操作和数据分析都需要高度的专业知识和技术储备，对操作者的技能有一定的要求。
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。
stm成像原理
stm成像原理1. 引言你有没有想过，科学家们是如何看到原子尺度下的微观世界的呢？就好像我们想要看清一粒沙子上最微小的细节一样困难，但科学家们却做到了。
今天呢，咱们就来一起探索扫描隧道显微镜（STM）成像原理背后的秘密，让你从基本概念到实际应用，全面地搞懂它。
这篇文章呀，我们会先讲讲STM成像原理的基本概念和理论来源，再深入分析它的运行机制，接着聊聊在生活和高端技术领域的应用，还有常见的问题和误解，最后再给大家介绍点相关的知识和趣味事儿哦。
2. 核心原理2.1基本概念与理论背景STM的原理是基于量子力学中的隧道效应。
啥是隧道效应呢？简单来说，就像你在一座高山前，正常情况下你要翻过山才能到山的另一边。
但在量子世界里，有一定概率你能直接穿过这座山到达另一边，就像有一条神秘的隧道一样。
这听起来是不是很神奇？其实这个概念的提出可是经过了很多科学家的研究发展的。
最早量子力学的发展为这个理论奠定了基础，随着对微观世界研究的深入，科学家们发现了这种奇特的隧道效应，然后就想着怎么利用它来观察微观世界，这就催生了STM的诞生。
2.2运行机制与过程分析STM主要有一个非常尖锐的探针，这个探针和被检测的样品表面靠得非常近。
近到什么程度呢？大概只有零点几个纳米的距离。
这个距离就相当于把一个原子放大到足球场那么大，探针和样品之间的距离就像足球场里一根针到地面的距离那么小。
当它们靠得这么近的时候，由于隧道效应，电子就有一定概率穿过探针和样品之间的间隙，从而形成隧道电流。
这就好比在两个小岛之间有一座隐形的桥，虽然肉眼看不见，但有一些小精灵（电子）可以从这座桥上通过。
然后呢，通过移动探针在样品表面进行扫描，同时测量隧道电流的变化。
如果样品表面有凸起或者凹陷，那么探针和样品之间的距离就会改变，相应的隧道电流也会改变。
根据隧道电流的变化就可以绘制出样品表面原子尺度的图像了。
就像是用一个超级灵敏的手去触摸一个物体的表面，通过感觉手和物体之间的微弱互动来描绘出这个物体表面的形状。
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。
[论文]扫描隧道显微镜
![[论文]扫描隧道显微镜](https://img.taocdn.com/s3/m/177146bbdc3383c4bb4cf7ec4afe04a1b071b078.png)
扫描隧道显微镜姓名：马锦锦学号：112133 专业：农产品加工与贮藏摘要:本文较为详细地介绍了扫描隧道显微镜( Scann ingTunne lingM icroscopy, STM )的基本结构、工作原理及模式，并阐述了STM 在表面结构的观测、表面化学反应、表面微细加工、单原子操作、诱导发光等领域的应用。
最后还简单介绍了STM的研究进展。
关键字:扫描隧道显微镜；结构；原理；应用；进展1引言扫描隧道显微镜( Scanning TunnelingMicroscope, 简称STM ) 是由IBM 苏黎士研究中心的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 于1982 年发明的，它是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜。
STM使人类能够在实空间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[9]。
它的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空状态下工作，对样品表面也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶、纳米相样品；其工作温度可以从4.2K到1000K，特别是STM 可以与其他实验设备结合, 使其应用更加灵活、有效[13]，在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域都获得了广泛的应用，被公认为20 世纪80 年代十大科技成就之一。
STM是继高分辨透射电子显微镜场、离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达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[12]，人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，在原子和分子水平，根据人们的意愿设计、修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。
2STM的基本结构一般说来扫描隧道显微镜主要由三个大部分组成：隧道显微镜的主体（主要是探针针尖）、控制电路、计算机控制( 测量软件及数据处理软件)[1]。
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的原理及其应用摘要：近年来，人类在纳米科技领域内的研究取得了引人瞩目的成就。
而扫描隧道显微镜（STM）是纳米科技发展的重要基础。
STM系统的出现首次成功实现了对原子实际空间图像的观察，促进了人类对微观领域的认知，推动了纳米科技的发展。
本文主要介绍了STM的原理、系统结构极其应用。
1扫描隧道显微镜（STM）的概述[1,2,3]1.1扫描隧道显微镜（STM）的发展1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼（Gerd Binnig）博士和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,以下简称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的物理、化学性质，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阔的应用前景，被国际科学界公认为八十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。
而在1988年，白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科研成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。
1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作退出了我国第一台STM，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。
STM在表面吸附和实用材料的研究中占有特殊地位。
STM可以清晰观察到原子簇化合物和有机金属化合物在不同晶体的吸附和扩散;在实用材料的表面结构研究中，包括高温超导材料的表面原子排列和能谱的研究，金属卤化物的高分辨率表面结构的研究，晶体生长动力学的研究等等，STM都具有不可代替的作用。
尤其值得一提的是，利用STM技术实现了室温下单电子隧穿效应。
所谓电子隧穿就是让电子“排好队”，一个接着一个地通过介观尺度（指10-9—10-7的长度）的结构。
扫描隧道显微镜的原理及应用文稿演示
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。
2 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；
3 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不 破坏它的化学键。
3．单分子化学反应已经成为现实
可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分 子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。
最近研究成果:
1 康奈尔大学Lee和Ho用STM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。
二 STM的应用
STM的应用优势: • STM具有极高的分辨率 • STM得到的是实时的、真实的样品表面的
高分辨率图象。 • STM的使用环境宽松。 • STM的应用领域是宽广的 • STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器
来讲是较低的。
STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：
１．“看见”了以前所看不到的东西
一 STM工作原理
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。
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。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，
2 Park等人将碘代苯分子吸附在 Cu单晶表面的原子台阶处，再 利 用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用 STM针尖 将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完 整的化学反应过程。
隧道扫描显微镜工作原理
隧道扫描显微镜（Scanning Tunneling Microscope）工作原理引言隧道扫描显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种用于观察物质表面的高分辨率显微镜。
它的工作原理基于量子力学中的隧道效应，能够实现原子级别的表面成像和局部测量。
本文将详细解释STM的工作原理，并介绍其相关的基本原理。
1. 隧道效应为了理解STM的工作原理，首先需要了解隧道效应。
隧道效应是指当两个电子或粒子在经典物理学中无法穿过一个势垒时，在量子力学中却存在一定几率通过势垒的现象。
在经典物理学中，当一个粒子遇到一个高于其能量的势垒时，它将被完全反射，并无法穿过势垒。
然而，在量子力学中，粒子具有波粒二象性，因此存在一定概率穿越势垒。
对于STM来说，重要的是电子在两个导体之间产生隧道效应。
当两个导体非常接近时（通常为纳米级别），由于量子力学的隧道效应，电子可以从一个导体隧道穿过到另一个导体。
2. STM的构成与工作原理STM主要由探针、扫描系统和反馈系统组成。
下面将详细解释每个部分的工作原理。
2.1 探针探针是STM的关键部件，通常由一根非常尖锐的金属丝制成，如钨。
探针的尖端直径只有几个原子大小，能够扫描物体表面并感知隧道电流。
探针与样品之间存在纳米级别的距离。
2.2 扫描系统扫描系统用于移动探针以扫描样品表面，并记录每个位置上的隧道电流。
它通常由细微定位系统和扫描控制电路组成。
细微定位系统负责在X、Y和Z方向上移动探针。
它使用压电陶瓷等材料产生微小位移，并通过反馈信号进行精确控制。
通过改变探针相对于样品的位置，可以获得整个表面的拓扑图像。
扫描控制电路负责接收来自细微定位系统的信号，并根据信号调整探针的位置。
它还负责记录每个位置上的隧道电流，以便生成表面拓扑图像。
2.3 反馈系统反馈系统用于保持隧道电流恒定，并控制探针与样品之间的距离。
由于隧道电流与探针与样品之间的距离密切相关，因此需要通过反馈系统来保持恒定的隧道电流。
实验 41 扫描隧道显微镜综合实验
实验41 扫描隧道显微镜综合实验1981年，德国物理学家宾尼（G . Binnig ）和瑞士物理学家罗勒（H. Rohrer ）根据量子力学原理中的隧道效应合作发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope,简称 STM ）. STM 是继场离子显微镜（FIM ）和透射式电子显微镜（TEM ）之后，第三种能够直接观察到单个原子成像的显微镜, 也是第一种能够在实空间获得表面原子结构图像的仪器.它克服了FIM 和TEM 对样品必须处于真空中的限制，可在大气、真空、甚至液体等自然环境中观察物体的表面形态.避免了生物样品因在真空中脱水而产生的假象，以及被高能电子束的辐照而损伤.使用STM ，可以研究原子之间微小的结合能，制造人造分子；可以观察生物大分子，如DNA 、RNA 和蛋白质等分子的原子布阵，和某些生物结构，如生物膜、细胞壁等的原子排列，进行分子切割和组装术；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，加工小至原子尺度的新型量子器件. 1986年，宾尼和罗勒因发明了STM 而被授予诺贝尔物理学奖.【实验目的】（1）了解STM 的工作原理.（2）掌握STM 实验设备的搭建过程.（3）能够使用STM 扫描样品得到原子级分辨率的图像.【实验内容】（1）制备针尖，记录不同针尖的电流衰减情况.（2）用STM 扫描所提供的样品，调节相关参数，以得到清晰的原子级别的图像.（3）对扫描所获得的图像进行分析，获得样品的表面结构信息.【实验仪器】AJ-Ⅰ型STM 、探针、高序石墨、镊子、剪刀、丙酮溶液、防震动悬吊系统、扫描探针显微镜图像处理及分析软件系统.【实验原理】根据量子力学原理，在原子、亚原子尺度下粒子存在波动性和不确定性.被束缚在势阱中的粒子有可能越过比自身能量高的势垒，这种现象称为隧道效应. 金属中的自由电子就是被束缚在势阱中的粒子,在外界不提供能量或提供的能量不足以使电子能量超过材料的功函数(逸出功)时, 仍有少量电子逸出,在金属表面附近形成约为1 nm 厚的电子云.这就给扫描隧道显微镜的隧道电流提供了基本条件.如图41-1所示，当样品表面和探针针尖的距离小于1 nm 时，两者的电子云就会有重叠.此时若在探针和样品之间加上一定的电压，就会形成隧道电流.隧道电流的强度与针尖和样品之间的距离以及样品表面的势垒高度有关，其关系满足：exp(A b I V ∝− (41-1)式中I 为隧道电流， Vb 为针尖和样品之间加的偏置电压，A 为常数，在真空条件下约等图41-1 样品表面和针尖的电子云于1，s 为针尖和样品之间的距离，φ为样品表面的平均势垒高度.从式(41-1)可知，I 与s 是指数关系，因此隧道电流对针尖样品之间的距离非常敏感.如果针尖和样品之间的距离变化10%，隧道电流则变化一个数量级. 可见，STM 具有很高的灵敏度,通常可以得到具有0.01nm 数量级的垂直精度和0.1nm 数量级的横向分辨率图像.STM 使用金属探针，针尖曲率半径约为几nm 到几十nm,通常采用的材料有钨丝、铂铱合金丝等.测量时，被测样品固定在一个可进行三维运动的压电扫描器平台上，如图41-2所示.当在针尖和样品之间加上偏置电压时，电子可以“隧穿”过间隙而形成隧道电流,隧道电流放大器将微弱的电流信号放大并输送到反馈电路中.反馈电路将电流信号转化为STM 的图像信号，通过计算机在屏幕上显示出来,同时依据隧道电流的大小而控制压电扫描器的运动.STM 工作有恒定高度和恒定电流两种扫描模式.采用恒高模式时，保持压电扫描器平台的z 坐标不变，只在x y 平面上作水平运动.样品表面的起伏使间距s 变化导致隧道电流I 变化,采集在样品表面每个局域检测到的隧道电流数据，进而转化成形貌图像.恒流模式即保持I 不变.系统通过调整样品和针尖的距离s 达到目的.两种扫描模式各有利弊.恒高模式扫描速率较快，因为控制系统不必上下移动扫描器，但这种模式仅适用于相对平滑的表面.恒流模式可以较高的精度扫描不规则表面，但比较耗时. 【实验要求】（1）实验准备①仪器准备，在不接通电源的情况下把仪器各部件安装好.②打开控制软件对显微镜进行校正.③针尖制备，用丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，剪出尖锐的针尖.④安装针尖，插入时保证针与针槽内壁有较强磨擦力，以确保针的稳固.⑤针尖检验，打开“IZ 曲线”图，观察图象中的电流衰减情况，图象中曲线越陡峭说明针尖越好；反之，针尖越不好.（2）利用STM 检测样品，进行图像数据采集①对高序石墨进行“阶梯扫描”.②扫描出质量较好的阶梯后，用鼠标点击马达控制面板中的“连续退”，退到500步左右停止，然后悬挂防震.③在线扫描，观察是否有较为清晰的原子形貌图出现.若无，调节扫描速率和旋转角度(一般此时调节扫描速率和旋转角度都可以出现较为清晰的原子形貌图)，旋转角度调节时先以15°一个阶梯进行角度旋转的粗调，然后再进行1°一个阶梯的微调.④保存采集的图像数据.（3）利用软件对图像进行处理和分析①图像显示，根据采集数据显示三维图像和多重视图.图41-2 STM 工作原理示意图②图像处理，清除图像噪声线，对图像作平整化处理.③对样品表面进行颗粒分析、深度分析和粗糙度分析.【预习及报告要求】（1）预习要求认真阅读实验操作手册，查阅相关参考文献，在实验之前掌握相关的实验原理.了解不同的样品所使用的扫描模式，熟悉并牢记实验中的注意事项,严格按要求操作.（2）报告要求本实验为研究性实验，报告应以正式学术论文的格式提交.其中应该包括以下内容：论文题目（中英文），论文摘要（中英文），引言，实验设备和实验内容，实验结果与分析，结论，参考文献.【分析讨论题】（1）为什么实验中探针的针尖必须尖锐？（2）扫描隧道显微镜可以扫描绝缘样品吗？为什么？（3）哪些因素会影响实验结果，如何减少这些影响？【参考文献】1陈成钧，扫描隧道显微学引论. 中国轻工业出版社. 1996.2彭昌盛，宋少先，谷庆宝.扫描探针显微技术理论与应用. 化学工业出版社. 2007.3余虹，4姚大学物理. 科学出版社（第二版）. 2008.琲，扫描隧道与扫描力显微镜分析原理. 天津大学出版社. 2009.（刘升光余虹）STM快速操作流程────高序石墨扫描操作1.使用前先检查连线是否连接正确（机座与控制箱、电脑与控制箱、电源）。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告----------许亚娜 08180209【摘 要】： 通过用扫描隧道显微镜对石墨的表面形貌进行观测，加深对扫描显微镜的工作原理的了解、熟悉扫描显微镜的使用步骤和注意事项。
以及了解在测量时对图像影响的因素。
【关键词】： 扫描隧道、针尖、隧道电流【引 言】：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。
实验整体过程的介绍：先简单介绍一起各部分的工作原理隧道电流：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。
在量子力学理论中，电子具有波动性，其位置是弥散的，在()V r E >的区域，薛定谔方程：()()()()22/2r h m V V r r e ψ⎡⎤-+ψ=⎣⎦的解不一定是零（如果V 不是无限大的话）。
因此一个入射粒子穿透一个()V r E >的有限区域的几率是非零的，所以物质表面上的一些电子会散逸出来，在样品四周形成电子云。
在导体表面上之外空间的某一位置发现电子的几率会随这个位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜【作者】周朝健（08180139）物理081【摘要】隧道扫描显微镜是利用量子力学中的隧道贯穿原理，根据物质表面出现电子的几率随着离开表面距离的变化符合负指数的变化，显微镜探测针头将从物质表面搜集到的散逸出来的电子产生的电流信号用以描述物质表面情况，以此达到观察物质微观结构的目的。
【关键词】扫描隧道显微镜、隧道效应。
【正文】原子是生化层面上物质组成的最小单位。
在人类认识世界的进程中，人们发现了各种元素的特性以及不同元素之间的规律，物质组成的规律，物质转化的规律等等，并继续不断研究以逐步完善着这个知识体系。
此类研究曾一度陷入瓶颈，问题的关键在于科研仪器的限制，就像多年以前，人们只能猜测原子的结构，并产生了多种说法。
随着科学技术的发展，如今，人们已经可以清楚的观察原子的外貌，甚至可以凭意志去操控单个原子。
这对于人类改造自然的事业来说是一种质的跨越。
而这一切主要归功于显微技术的发展。
1981年，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了扫描隧道显微镜，利用扫描隧道显微镜，人们不仅可以观察到材料表面的原子或电子结构，甚至可以通过一定的手段操控原子，这使得人类在微加工技术方面获得了飞跃性的突破。
量子力学中的隧道贯穿原理是扫描隧道显微镜工作的理论基础。
所谓隧道贯穿原理就是电子具有波动性，在空间中出现与否存在几率性。
根据薛定谔方程，电子穿透高于本身能量的势垒的几率不为零且随着其出现位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。
正是由于电子隧道贯穿的几率与势垒宽度呈现负指数关系，如果用一接收器在同一平面搜集溢出物质表面的电子，得到的电信号就能反映物质表面的起伏情况了。
下面来简单概括一下扫描隧道显微镜的各组成部分：（1）隧道针尖用于接收溢出物质表面的电子。
其作用要求针尖的大小、形状、化学性以及共振频率等等方面都有严格的标准限制，并在使用前也要进行小心的清洗、加工等步骤。
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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。
根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是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1所示。
若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I 。
隧道电流I 的大小与针尖和样品间的距离s 以及样品表面平均势垒的高度有关，其关系为，式中A 为常量。
如果s以nm为单位，以eV为单位，则在真空条件下，A ≈1，。
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。
一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。
扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。
常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图2所示，Lx、Ly、Lz 分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。
在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。
STM有两种工作方式。
一种称为恒电流模式，如图3所示。
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。
另一种工作模式是恒高度工作，如图4所示。
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。
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。
这正是得名"扫描隧道显微镜"的原因。