扫描隧道显微镜世纪重大科技成果之一
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_2022年学习资料
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。-这是中国科学院化学所的科-技人员利用纳米加工技术在-石墨表面通过搬迁碳原子 -绘制出的世界上最小的中国-地图。
·二实验原理-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。隧道效应-是微观粒子具有波动 所产生的。由量子力学可知当一粒子进入一-势垒中，势垒的高度fo比粒子能量E大时，粒子穿过势垒出现在势垒-另 边的几率p2不为零，如图9-1所示。如果两个金属电极用一非-常薄的绝缘层隔开，在极板上施加电压VT,电子则 穿过绝缘层由-负电极进入正电极。这称为隧道效应，此时电流密度为：-exp.-=-1-1
三扫描隧道显微镜的结构-般说来隧道扫描显微镜可以分为三大部分：隧道显微镜-主体、控制电路、计算机控制（测量 件及数据处理软件）-。-.三维扫描控制器-隧道显微镜主体包括针尖（或样品）的平面扫描机构、样-品与针尖间距 控制调节机构、系统与外界振动等的隔离装置-世界各国实验室发展了有各自特色的STM,其中比较常用的扫-描机构 ,V,Z三维细调是压电陶瓷扫描管或压电陶瓷杆组成-的三维互相垂直的位移器。-三角撑-陶瓷管-e
a-B扫描隧道显微镜
石墨晶体具有层状结构，层间距离为0.335nm,-相临-两层之间原子并不一一对应，层分布为AB型，其中a, 代-表表面层原子，ā'，β 代表次表面层原子。a类原子的正下-方有最近邻下层的原子与之相临；β 类原子的正下方 有-最近邻下层的原子与之相临。层内原子成六边形排布，层-内最近原子间距离为0.142nm。层内a类（β 类） 子间-最近距离为0.246nm。石墨中每个C原子两个2S与一个2P-电子发生SP2杂化，每个原子的三个电子 别与相临最近-的原子电子形成三个键角为120的C-C单键。层内所有未-杂化电子充作离域电子从而形成贯穿全层 多原子大键。-σ 键使C原子局域电子态密度分布具有三重对称性，即-从理论上分析石墨表面STM图像应如下图所示
扫描隧道显微镜
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原子和分子的操纵与“量子幻影”
• 扫描隧道显微镜不仅可以对表面原子、分 子成像，对表面进行刻写，还可以操纵单 个原子和分子。
• 这方面的开创性工作是IBM公司的科学家做 出的。
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用扫描隧道显微 镜针尖移动原子 排成的汉字“原 子”
• 纳米神算子—— 分子算盘 • 科学家把碳60分子每十个
一组放在铜的表面组成了 世界上最小的算盘。与普 通算盘不同的是，算珠不 是用细杆穿起来，而是沿 着铜表面的原子台阶排列 的。
的信息 (表面形貌和表面电子态)转 化为图像记录下来。
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STM图像解释
STM图像反映的是样品表面的局域电子 结构和遂穿势垒的空间变化，而与表面原 子核的位置没有直接关系，不能将观测到 的表面高低起伏简单的归结为原子的排布 结构。另外，STM针尖也不只被动的对表 面成像，事实上，其电子结构对成像的结 果有时会产生重要影响。
如果钴原子被置于量 子围栏焦点之外的任意 一个地方，即不在焦点 上，“幻影”效应随即 消失。看上去只有一个 原子。
这个实验结果的重要意 义在于直接观察到量子效应 将信息从一个原子传送到另 一个原子，中间无需任何连 接，而不可思议的是另一个 原子不一定是真实的。这一 现象在我们所处的宏观世界
中是不可能发生的。
• 这种随时间连续观察的方式对于研究表面 纳米结构的稳定性是十分有用的。
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用扫描隧道显微镜观察Pt 原子在Pt（110）表面运动 的系列图像。将四幅图一起 比较，可发现有些原子的位 置发生了改变.每幅图的尺 寸是15nmx15nm,采集一幅 图的时间为13秒，T=61OC
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银纳米（小于10nm)岛在银表面的消失， . 整个过程经历了47分钟
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纳米材料分析和表征
扫描隧道显微镜简介
Vol.29No .2Feb.2013赤峰学院学报(自然科学版)J o urnal o f Chifeng University (Natural S cience Editio n )第29卷第2期(上)2013年2月1扫描隧道显微镜(STM )简介在探索微观世界的过程中,人类就通过不懈努力希望观测到物质的微观世界.17世纪,世界上第一台光学显微镜发明成功,并且利用这台显微镜,人类首次观察到了细胞的结构,从而开始了人类使用仪器研究微观世界的新时代[1].但是,由于受光波波长的限制,光学显微镜的分辨率只能达到10-6米—10-7米.20世纪初,利用电子透镜使电子束聚焦的原理,成功的发明了电子显微镜,它的分辨本领达到了10-8米.有了电子显微镜,比细胞小的多的病毒也露出了原形.增强了人们观察微观世界的能力.1982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,世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(S canning Tunneling Micro-scope ).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[2].利用量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜,它的分辨本领甚至达到了10-10米.2扫描隧道显微镜(STM )的原理根据量子理论中的隧道效应,电子有几率穿过势垒,而形成隧道电流.扫描隧道显微镜(S TM )就是利用这一原理制成的.将被研究的物质(必须是导体)表面和探针作为两个电极,当样品与针尖的距离介于1nm 左右时,在外加电压的作用下,电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动,形成隧道电流I.这个电流满足如下关系:I=KVexp(-l Φ12S )其中,k 、l 是常数;V 是施加在探针和样品之间的电压;Φ是探针和样品的平均功函数,它和探针、样品的材料功函数有关,Φ≈Φ1+Φ2;S 是探针和样品间的距离.通过对上式的分析可以发现,对于确定的探针和样品,它们的平均功函数Φ是一个定值,那么隧道电流I 是电压V 和距离S 的一个函数.探针和样品表面的距离S 对隧道电流的影响是很明显的;因为它是一个指数函数,即使是距离S 的一个微小变化,电流却将变化一个甚至几个数量级.因此,保持电压V 的恒定;利用压电陶瓷材料,控制针尖在样品表面X-Y 方向的扫描;通过步进电机,控制探针和样品表面间的距离S (1nm 左右),使探针位于样品表面某一个高度上;通过微机记录不同时刻的电流,并且按照电流的强弱,用不同的颜色加以区分(大电流用浅色表示,小电流用深色表示).如图1所示,给压电陶瓷施加一个偏向电压,压电陶瓷将带动探针在样品表面沿X 方向(或Y 方向)做微小定向移动.当移动的探针遇到原子时,探针和样品间的距离S 减小,电流I 明显增加;当移动的探针位于相邻原子的间隙时,探针和样品间的距离S 增加,电流I 明显减小.最后,随着探针在样品表面的逐行的扫描,微机会将探针在不同位置时的电流记录下来,并用不同的颜色加以区扫描隧道显微镜简介齐磊,曹剑英(集宁师范学院物理系,内蒙古乌兰察布012000)摘要:作为研究物质微观结构的有力工具,扫描隧道显微镜(S ca nning Tunneling Micros copy )与其它种类的显微镜相比,它的分辨本领却可以达到10-10米.以量子力学为基础的扫描隧道显微镜,可以在大气、液体、真空状态下工作,可以在4.2K 到1000K 之间的温度下工作;并且对样品也无特殊要求,可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面;特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合,应用更加有效、灵活.因此,扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用,并取得了一系列重要的研究成果.关键词:扫描隧道显微镜;隧道效应;扫描隧道显微镜的应用中图分类号:TH742.9文献标识码:A文章编号:1673-260X (2013)02-0067-02６７. All Rights Reserved.分.这样,我们就得到了一张反映样品表面的不同位置,不同颜色的图像.而这个图像恰恰反映了样品表面的微观结构.如图2所示,通过这个图像,我们可以得到样品表面原子状态的有关信息.3扫描隧道显微镜(STM )的应用对于光学显微镜而言,光的衍射现象,导致小于光的波长的一半的细节在显微镜下很难分辨.而利用量子力学中隧道效应制成的扫描隧道显微镜(S TM)却具有更强的分辨能力,扫描隧道显微镜的原理使它在观测物质表面微观结构方面成为非常有效的工具.扫描隧道显微镜的优点是很显见的:(1)扫描隧道显微镜的分辨本领高,可以达到10-10米;(2)扫描隧道显微镜可以对物质微观结构进行无损探测,避免样品受到破坏或者样品性状发生变化;(3)可以利用扫描隧道显微镜实现单原子的移动和提取操纵.通过扫描隧道显微镜,我们可以直观地看到样品表面的微观结构,进而分析样品表面的化学和物理性质.例如:利用扫描隧道显微镜,生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA 分子;材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷;微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等.在扫描隧道显微镜问世之前,这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测.在化学和生物学方面:通过放置在超高真空中扫描隧道显微镜,可以观测固体表面金属原子的吸附结构.在化学各学科的研究方向中,扫描隧道显微镜在电化学领域也得到了广泛的应用,并且制成了适合研究电化学领域的扫描隧道显微镜.在研究有机分子方面,利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像,可以观察到有机分子的3维结构.基于此,在生物学领域中,观察DNA 、重组DNA 及HPI-蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测.在纳米材料加工领域的应用:纳米材料是指,材料基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm ),并由此具有某些新特性的材料.对于纳米材料的制备,是当今社会研究的一个热点问题.现今,纳米材料的制备方法主要有三种:(1)惰性气体下蒸发凝聚法;(2)化学方法;(3)物理气相法和化学沉积法的综合方法.人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为.使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置.如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间,那么在探针和样品间产生交替变化的电场.强电场的蒸发电场的蒸发作用,使样品表面的原子可以被吸附到针尖上,并且使单原子可以随针尖移动,沉积.通过对单原子的控制,人们可以制作大容量存储器.随着科学技术的不断发展,扫描隧道显微镜(S TM )作为观测微观物质表面结构和操控单原子的有力工具,必将起到其重要的作用,并在此过程中得到长足的发展.———————————————————参考文献:〔1〕程舒雯.扫描隧道显微镜性能优化及实用化研究[D].浙江大学,2003.〔2〕张振宇,李鸿琦.基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究[D].天津大学,2005.图1原理示意图图2石墨样品表面微观结构６８--. All Rights Reserved.。
STM 扫描隧道显微镜简介
扫描隧道显微镜1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（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。
扫描隧道显微镜的理论基础是隧道效应和隧道电流。
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。
将极细探针（针尖头部为单个原子）和样品作为两个电极，当针尖和样品表面靠得很近，即小于1 nm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振电压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的隧道电流。
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。
当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。
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。
扫描隧道显微镜的系统结构包括主体探测系统（探针和三维扫描控制器），减震系统，电子学控制系统，计算机控制系统。
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以及纳米操控加工能力，而且也影响着测定的电子态。
探针要求：1.针尖足够尖锐即顶端角度小，其圆弧半径要小于亚微米级，甚至达到分子、原子级，才能适应高分辨率要求，保证隧道电流稳定性。
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 -。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜[编辑本段]扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，STM)扫描隧道显微镜的英文缩写是ＳＴＭ。
这是２０世纪８０年代初期出现的一种新型表面分析工具。
由德国人宾宁(G.Binnig,1947-)和瑞士人罗勒(H.Roher,1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。
宾宁和罗勒因此获得1986年诺贝尔奖.1988年，IBM科学家从由扫描隧道显微镜激发的纳米尺度的局部区域观测到了光子发射，从而使发光及荧光等现象能够在纳米尺度上进行研究。
1989年，IBM院士（IBM Fellow）Don Eigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I-B-M”3个字母。
1991年，IBM科学家演示了一个原子开关。
[编辑本段]基本原理其基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。
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。
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达０．１纳米，纵向可优于０．０１纳米。
它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰以及直接书写等。
目前扫描隧道显微镜取得了一系列新进展，出现了原子力显微镜ＡＦＭ、弹道电子发射显微镜ＢＥＥＭ、光子扫描隧道显微镜ＰＳＴＭ，以及扫描近场光学显微镜ＳＮＯＭ等。
〈精确〉或者用一个金属针尖在在样品表面扫描。
当针尖和样品表面距离很近时(1nm以下)，针尖和样品表面之间会产生电压。
扫描隧道显微镜的原理及应用
扫描隧道显微镜的原理及应用【摘要】本实验主要是通过电化学腐蚀钨丝的方法制备扫描隧道显微镜的针尖，用所制备的针尖对石墨样品进行扫描从而获得石墨样品表面的原子分辨像，结合石墨的六角晶格结构和晶格常数，对石墨表面图像进行处理分析，求得x 和Y 方向的灵敏度约为15.74 Å/V关键词：探针、STM 、隧道效应、粗逼近、原子分辨像一、实验引言：1982年，IBM 瑞士苏黎士实验室的葛•宾尼和海•罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜。
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。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够逐个地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态以及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
为表彰STM 的发明者们对科学研究所做出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。
STM 技术的最大优点是可以获得原子级的高分辨率，在平行表面的方向可达0.1nm ，在垂直表面的方向可达0.01nm 。
此外STM 还可获得物体表面实空间的三维图像，可以观察单个原子的局部表面结构，并且可以得到表面电子结构的信息。
STM 也有明显的缺；由于原子波函数的叠加，STM 在恒定电流的工作模式下对样品表面的某些沟槽不能准确地探测，与此相关的分辨率较差；另外，其观察的样品必须具有导电性，致使其使用范围受到很大的限制。
不过其后衍生出的原子力显微镜、磁力显微镜弥补了这相面的不足，使得探针显微技术不独完善，并在纳米技术领域得到了广泛的应用。
二、实验原理：1、理论原理在经典理论中，动能只能去非负值，因此一个粒子的势能要大于它的总能量是不可能的。
但在量子理论中，若势能有限，且V()r E >，则Shrodinger 方程为：22()()()()2V r r E r r m ϕϕ⎡⎤-∇+=⎢⎥⎣⎦（1） 其解不为零，即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，这称隧道效应。
扫描隧道显微镜及其发展现状
扫描隧道显微镜及其发展现状曹文峰2012110024(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)摘要:扫描隧道显微镜(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。
此文介绍了扫描隧道显微镜的理论原理与系统结构,以及近年来这一前沿科技领域的部分进展和应用前景。
关键词：扫描隧道显微镜;隧道效应;纳米技术Abstract:The study of scanning tunneling microscopy (STM) has quite important significance and broad prospects in fields such as surface science , material science and life science . STM has now been considered as one of the world's top ten technology achievements in the 80s by the international scientific community . Firstly this article introduces the principle theory and system structure of the STM . Finally the application and further development prospects for the past years are given.Key words：Scanning tunneling microscopy ; Tunneling effect ; Nanotechnology0 引言扫描隧道显微镜（STM）是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。
[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]。
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜
1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特·鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988），以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜；另一半授予瑞士鲁希利康（Rüschlikon）IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
研制电子显微镜的历史可以追溯到19世纪末。
人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。
1897年布劳恩设计并制成了最初的示波管。
这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。
1926年布什（）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。
这为电子显微镜作了理论上的准备。
限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。
由于电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜可以得到比光学显微镜高得多的分辨率。
【恩斯特·鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。
他的父亲是柏林大学历史学教授.1925年-1927年，恩斯特上中学时就喜欢工程.井在慕尼黑两家公司学习电机工程。
后随父到了柏林，1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研究。
从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔（）的指导下进行电子透镜实验。
这对鲁斯卡的成长很有益处。
1928年-1929年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究，证实在电子束照射下直径为的光阑可以产生低倍（倍）的像，并验证了透镜成像公式。
讲义实验四：扫描探针显微镜(扫描隧道显微镜)
可以产生隧道电流。
2．压电效应与压电扫描管
所谓压电效应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。当在压
电陶瓷加上对称电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，也就是说，可以通过改变电
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
eh
2m(V0 −E )
V0
（4-1）
由式(1-1)可见，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。
再次，SPM 的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须 安放在高真空条件下才能进行测试。而 SPM 既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、 常温、高温，甚至在溶液中使用。因此 SPM 适用于各种工作环境下的科学实验。
SPM 的应用领域是宽广的。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、 微电子等应用学科都有它的用武之地。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。SPM 的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较
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
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜摘要：本实验让同学们对扫描隧道显微镜的原理和实验装置有一定的了解，知道一下物理的一些比较前沿的实验仪器，与时俱进。
关键词：扫描隧道显微镜、隧道针尖引言人类以前仅仅靠用眼睛去观察世界，但是这是非常有限的，因为人眼能够直接分辨的最小间隔大约为0.07mm，而且，人的手也不能操纵微小的事物。
但是人类额可以利用实验仪器来完成这些。
人们发明了光学显微镜，但是光学显微镜由于自身原理的限制，只能达到100nm左右的数量级。
而后，随着电子显微镜的发明，使得人们可以分辨的事物达到了1nm或者0.1nm 的数量级。
但是这还是远远不够的。
随着人类思想和创造性的发展，一种更精密的仪器出现了。
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（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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。
STM能够具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率可达到0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原子；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；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；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等。
以上优点足以证明STM对人们研究科学现象有着巨大的作用。
基本原理扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子力学理论中的隧道效应。
2022年12月中共惠东县委办公室(广东省)公开招考后勤服务人员强化练习卷(二)
2022 年 12 月中共惠东县委办公室 (广东省) 公开招考后勤服务人员强化练习卷(二)1、单选题下列哪种刑罚既可以单独适用，也可以附加适用?_____A : 有期徒刑B : 管制C : 剥夺政治权利D : 拘役参考答案: C本题解释:参考答案:C 【解析】C[解析]刑罚分为主刑和附加刑，主刑包括管制、拘役、有期徒刑、无期徒刑和死刑，主刑只能单独适用，不能附加适用。
附加刑包括罚金、剥夺政治权利和没收财产，附加刑既可以单独适用也可以附加适用。
故本题正确答案为 C。
第 1 题所属考点-题库原题2、单选题我国必须坚持公有制为主体、多种所有制经济共同发展的基本经济制度，这是由_____。
A : 党的基本路线决定的B : 社会主义初级阶段的基本路线决定的C : 我国的社会主义性质和初级阶段的国情决定的D : 我国人民民主专政决定的参考答案: C本题解释:参考答案:C【解析】生产力决定生产关系，经济基础决定上层建筑。
基本经济制度是一个国家社会制度的基础。
在我国社会主义初级阶段，必须坚持以公有制为主体、多种所有制经济共同发展的基本经济制度，不能搞私有化，也不能搞纯而又纯的公有制，这是由我国社会主义初级阶段的基本国情，特别是社会生产力的总体水平与结构决定的。
对于这个基本经济制度，必须坚定不移、毫不动摇。
故选 C。
第 2 题所属考点-题库原题3、多选题下列关于素数的说法成立的是_____。
A : 它是只能被 1 和自身整除的数B : 2、3、5、7 等数都是素数C : 欧几里德证明了素数有无穷多个D : 所有大数学家都研究过素数形式参考答案: ABC本题解释:参考答案: A, B, C 答案解释:ABC。
解析：素数也叫质数，是只能被 1 和自身整除的数，如 2、3、5、7 等等。
公元前 300 多年，古希腊数学家欧几里德用反证法证明了素数有无穷多个，他还提出有少量素数可以写成 2p-l(其中指数 P 为素数)的形式。
扫描隧道显微镜
隧道电流
h
2 kd
上式中，I表示隧道电流，d表示样品与针尖间的距离，k为常数，在真空隧道条 件下，k与有效局部功函数Φ 有关，可近似表示为
2m
上式中 m为电子质量， Φ为有效局部功函数，h为普朗克常数。
典型条件下，Φ近似为4eV，k=10nm-1，由式算得，当间隙d每 增加0. 1nm时，隧道电流I将下降一个数量级。 需要指出，表达式是非常近似的。sTM工作时，针尖与样品间的 距离一般约为0.4 nm，此时隧道电流I可更准确表达为:
计算机软件系统
• MicroNano NewSPM 3.1软件系统由文件管 理、在线控制软件、离线数据处理和分析 软件、用户自开发软件模板四部分组成
软件系统使用
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数据的样品说明
并 行 口
针尖偏压
TTL
马达
驱动
电子学控制机箱
• 前面板
– 电源开关：当接通电源打开开关后，电源开关指示会 点亮。 – 设定点旋钮：可调范围为10圈，对应0nA～＋10nA。 – 即电子学处理模块图中的隧道电流设定，用于设定恒 流模式中的隧道电流。 – 针尖偏压设定旋钮：双可调旋钮，可调范围为10圈， 对应0V～±10V。即电子学处理模块图中的针尖偏压， 用于设定突破势垒产生隧道电流所需的电压。 – 针尖偏压方向设定开关：用来设定偏置电压的正负。 – 反馈旋钮：可调范围为10圈。
扫描隧道显微镜简介
扫描隧道显微镜简介一. 前言1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼(Gerd Bining)博士和海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，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，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM。
当时海.罗雷尔是IBM公司苏黎世研究实验室的科学家，葛.宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。
因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。
为此。
扫描隧道显微镜的发明者在1986年获得诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分享）。
二. 扫描隧道显微镜的发展过程我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质宏观结构的有力工具。
最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。
显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。
第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。
但由于光波的性质，光学显微镜的分辨能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。
扫描隧道显微镜复制分子和原子的例子
扫描隧道显微镜复制分子和原子的例子《微观世界的神奇复印机：扫描隧道显微镜的分子原子复制奇谈》嘿，朋友们！今天咱们来唠唠那个超级神奇的扫描隧道显微镜复制分子和原子的事儿，那可真是微观世界里的黑科技啊！你要是跟我之前一样，对分子和原子的印象还停留在书本上那些枯燥的小球和小棍模型，那可就大错特错了。
这扫描隧道显微镜就像是微观世界里的超级复印机，可以在分子和原子这个超微层面上摆弄它们。
想象一下啊，分子和原子就像是一群超级小的精灵，小到我们用肉眼完全看不到，哪怕是用普通显微镜也只能看到一团模糊的东西。
但是扫描隧道显微镜就不一样了，它就像是一个拥有超能力的小侦探，能够精确地找到这些极小的家伙。
比如说，科学家发现了一种非常有用的分子结构，就像是一把超迷你版的“宝藏钥匙”。
可这就一个啊，不够用咋办？这时候扫描隧道显微镜就大显神通了。
它能逐一把这个分子的每个原子的位置，像是做拼图一样地记录下来，然后再精准地复制出一个一模一样的分子。
这就好比是你看到一个超牛掰的手工小模型，然后用神秘的魔法再做出一个同样精妙的模型。
我看过一个纪录片讲这个的，那里面把这个操作过程讲得让我感觉像是在玩一个超酷的游戏，不过是在超级微观的世界里。
那些原子和分子在扫描隧道显微镜下就像被控制的小棋子。
科学家们操控着这个高科技的显微镜，不是在打棋盘上的楚汉战争，而是在构建微观世界的新秩序。
有时候啊，你觉得原子和分子不听话，稍微有点偏差，就像你炒菜的时候盐放多了那么一点点，整个复制出来的结果就可能变味儿了。
但科学家们就一次次耐心地调整，直到完美复制。
这就让我不禁感叹，我们人类可真是聪明又执着的家伙啊！在这么微观的世界里还能玩得转。
而且这种分子原子的复制意义可大着呢。
说不定未来我们可以复制出各种超高性能的材料，或者特殊用途的药物分子，就像变魔术一样源源不断地创造出有用的东西。
那时候啊，我们就能用这些微观世界的智慧成果来让咱们的宏观世界变得更加奇妙多彩。
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扫描隧道显微镜-－世纪重大科技成果之一————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期:扫描隧道显微镜20世纪重大科技成果之一关键词:扫描隧道显微镜 隧道效应 分辨率 控制电路摘 要:扫描隧道显微镜是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用,来测量表面原子结构和电子结构的显微新技术,它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命.扫描隧道显微镜(S ｃa ｎning Tunn ｅlin ｓ M ｉc ｒｏｓco ｐy 以下简称ＳTM )是２0世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构.1９８１年在I ＢＭ公司瑞士苏黎世实验室工作的G ．宾尼希(Ｇ.Ｂinni ｎg)和H ．罗雷尔（H ．Rohr ｅr ）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象.这一发明使显微科学达到了一个新的境界,并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用．为此G.宾尼希和Ｈ．罗雷尔于19８6年被授予诺贝尔物理奖.１.显微镜的历史人类观察微小物体的历史是从放大镜开始的，然后进人光学显微镜时代.据说世界上第一台光学显微镜是荷兰的眼镜师詹森父子于１590年偶然发明的．詹森父子制造的显微镜是一支可以伸缩的管子,在它的两头各放了一片凸透镜,当管子的长短调节得合适的距离，用它可以看清很小的物体．在当时人们仅是把他制作了这种管子当作玩具,并没有用到科学研究上．直到十七世纪中叶，才真正认识到显微镜发明的科学意义，人们竞相利用显微镜观察微观世界,并给生物学带来了划时代的进步.尤其是英国物理学家罗伯特·胡克(R ．Hooke 1６35一１703)，使用自制的显微镜观察生物，并于166５年出版了《显微镜图集》.为了提高放大率，人们必须增加透镜的数目,但随着透镜数目的增加，便遇到了透镜像差．所谓透镜的像差,就是经过透镜所成的像会产生畸变、弯曲或延展等缺陷，当放大率增大时，透镜的这些缺陷也随之扩大，物象也就变得模糊起来，这样就失去了增大放大率的真实意义.十八世纪中叶，德国数学家欧拉(L ．Ｅｕle ｒ 1７0７—1７83）和英国光学家J ·多隆特(J ．Dello ｎd 170６—1761）等人发现了用不同的玻璃制作的透镜加以组合消去色差的办法,这一发现促进了对光学玻璃的研究．到了十九世纪中叶,光学显微镜的放大率已达到l ０00到１50０倍左右；人们发现,如果再提高显微镜的放大率,映像将变得极不清晰,这就说明光学显微镜的放大本领有一个难以超越的极限．那么,光学显微镜的性能为什么会有这个难以超越的极限呢？决定这个极限的因素是什么?德国耶拿大学的阿贝(E.Abbe １８４0—1９0５)从波动光学的基础对显微镜的映像理论进行了分析,他认为：问题并不在于显微镜本身，而起因于作为成像媒介的光波.光线是具有一定波长的光波,光波遇到粒子会产生衍射效应.当粒子小于光的波长时,光波将绕过粒子，因而不产生粒子的阴影,我们也就看不清粒子的像．光学显微镜是用可见光来观察物体的，由于光的波动性产生的衍射效应使光学显微镜的分辨极限只能达到光波的半波长左右，确切的表达式为:αλsin 61.0N d = (1) 其中λ为波长,α为物镜的孔径角,N 为折射率，ｄ为最小可分辨长度．显然在可见光范围内d 的最小值约为0.3μm .阿贝从理论上推得，光学显微镜的分辨本领不超过200０Å，这个数值与实验得到的极限值一致.由阿贝理论得知：如果利用波长更短的波来作为像的形成源，显微镜的分辨本领有可能进一步提高．本世纪二十年代,法国物理学家德布罗意(de.Broglie 1892—198０)发现：一切微观粒子,例如：电子、质子、中子等，也具有波动性.人们把这种波称为德布罗意波．电子的德布罗意波长为:υλm h = （2) 其中h 为普朗克常数，电子受电场V 加速获得动能,其速度为: m eV 2=υ 所以meV h 2=λ当加速电压在几十千伏以上时,考虑相对论修正,则有:)21(22c m eV eV m ho o +=λ （3)式中m 0为电子静止质量，ｃ为光速.当电子被10０k Ｖ的电压加速时,电子的波长为0．0037nr ｎ．显然，电子的波长比光波的波长短得多，比γ射线的波长还短．于是，人们立即想到是不是可以利用电子束来代替光波?193２年，德国年轻的研究员E ·卢斯卡(E.Ruska １906—１988）等人，第一次用电子束得到了钢网放大形成的电子像,它雄辩地证实了使用电子束可以形成与光学透镜完全无异的像，从此开始了电子显微镜的历史．显然电子显微镜的分辨本领大大高于光学显微镜.现代高分辨透射电子显微镜（Tra ｎｓmissi ｏｎ Ele ｃt ｒon Micro ｓcopy ，ＴＥＭ）分辨率优于0.３nm,晶格分辨率可达０．l ～0.2ｎm ．几十年来许多分析方法和仪器相继问世,如：场离子显微镜（Ｆie ｌd Io ｎ Mic ｒos ｃｏpy,FIM)，扫描电子显微镜(Scan ｎin ｇ E ｌectron M ｉc ｒos ｃopy,SE Ｍ)，俄歇谱仪(A ｕger Electron Sp ｅｃtros ｃopy ，ＡＥＳ），光电子能谱(X －ra ｙ Photoe ｍｉｓｓｉｏn Ｓpectros ｃop ｙ，X ＰS)，低能电子衍射（Ｌo ｗ E ｎer ｇy Elec ｔro ｎ D ｉffr ａct ｉon,L ＥED ）等等,这些技术在表面研究中都起着重要作用.但是任何一种技术都有一定的局限性,如透射电子显微镜主要研究薄膜样品的结构,场离子显微镜只能探测曲率半径小于100nm 的针尖状样品的原子结构,俄歇谱仪只用以提供空间平均的电子结构信息，且这些技术只在真空环境下才能工作,并对样品将产生一定程度的损伤；因而电子显微镜也存在着自身的缺陷性．2．ＳＴM 的理论依据按照经典物理学计算表明,微观粒子不能越过比它自身能量高的势垒，就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样,粒子的能量没有达到使它们可以越过这座山而跑到外边去.但量子力学认为,由于微观粒子具有波动性，当一粒子进入一势垒中,势垒的高度Φｏ比粒子能量E 大时,粒子穿过势垒出现在势垒另一边的几率p （z ）并不为零(如图1所示）,即粒子在偶然间可以不从山的上面越过去，而是从穿过山的一条隧道中通过去,人们称这种现象为“隧道效应”.按照量子理论可推导出在两平板电极间的粒子穿过势垒的电流密度为： 如图（１） 势垒示意图s k T o o e V s k h e J 2224-⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=π (4) 其中h 为普朗克常数，V T 为板间电压,ｋo 为功的函数，s 为两个电极的间距.J 和极间距s 成指数关系,若ｓ增加 0．1nm 时，电流将改变一个数量级.当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流.计算结果是:)()](1[)(22νμμννμνμσπE E M eV E f E f h e I -+-=∑ （5) 其中)(E f 是费米统计分布函数,kT E E Fe Ef -+=11)(V 是针尖和表面之间电压，E μ和E ν分别是针尖和表面的某一能态,Ｍμν是隧道矩阵元.⎰**ψ∇ψ-ψ∇ψ⋅=)(22μνθμϖνdS mh M 式中ψ是波函数，括号中的量是电流算符，积分对整个表面进行;这就是STM 的理论依据.3.STM的技术实现任何一项重大科技进步都是在前人众多成功的经验和失败的教训基础上，由若干具有远见卓识的人经过持之不懈的探索再加之以画龙点睛式的创举才能够取得的,SＴM发明也不例外.早在50年代，就有人提出过ＳＴM的最初设想,当时他们希望用光束透射一个极细小的圆孔来获得显微图象．因为技术条件不成熟而未实现．70年代初，一位名叫罗伯特·杨(R.Ｙang)的科学家在“场发射显微镜”的仪器关键部位上已经做到了和如今的SＴM非常接近.杨和他的同事们采用了一个极细小的针尖,通过扫描样品表面来获取显微图象．然而,他们并未利用隧道电流，而是通过在针尖上加一个高电压,从针尖最尖端发射出一束微小电流（称为场发射电流），打击到样品表面上,进而观察到其表面形貌.这种被杨称作“形貌仪”的显微镜分辨率只达到一般光学显微镜的水平(０.2微米）．原因是杨的“形貌仪”当中，针尖与样品表面的距离隔得太远,针尖与样品表面产生不了隧道电流,而只能依靠针尖前端的场发射电流来成像，分辩率当然不会太高.宾尼希和罗雷尔在看到杨的“形貌仪”后,立即产生了一种天才的想法，利用隧道效应再发明一种新型显微镜．从实际操作的可行性上宾尼希和罗雷尔花了很长时间才使这一设想趋于成熟,并付诸实际应用，于１979年提出了ＳTM 这一新型显微镜的专利申请．在１981年,他们制作了第一台STM实体，并获得了若干高分辨率显微图象．他们制成的这种新型显微镜达到前所未有的惊人的高分辨率，一举观测到了单个原子的真面目.若以针尖为一电极，被测固体表面为另一电极,当它们之间的距离小到纳米数量级时根据公式(4）可知:电子可以从一个电极通过隧道效应穿过空间势垒到达另一个电极形成电流,其电流大小取决于针尖与表面间距及表面的电子状态.如果表面是由同一种原子组成，由于电流与间距成指数关系，当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，电流却有成十倍的变化,这样就可用现代电子技术测出电流的变化,它反映了表面的起伏．当样品表面起伏较大时,由于针尖离样品仅纳米高度，恒高度模式扫描会使针尖撞击样品表面造成针尖损坏，此时可将针尖安放在压电陶瓷上，控制压电陶瓷上电压,使针尖在扫描中随表面起伏上下移动,在扫描过程中保持隧道电流不变（即间距不变),压电陶瓷上的电压变化即反映了表面的起伏.这种运行模式称为恒电流模式，目前STＭ大都采用这种工作模式.隧道显微镜主体控制电路计算机系统STM主要部件可以分为三大部分:隧道显微镜主体、控制电路、计算机系统（测量软件及数据处理软件)如图(2）.隧道显微镜在正常工作时针尖与样品表面的间距仅为纳米尺度，而且间距的微小变化都会引起电流的剧烈变化.任何建筑物都有振动,其谐振频率在20Ｈz附近,振幅可达微米量级,还有人的运动和声音的传播等产生的振动都会影响隧道电流的稳定性．所以ＳTM一般需要采取严格的隔震措施和与环境隔离的措施来保证其获得原子级的分辨能力和稳定的图象.为了得到原子级的分辨本领，SＴＭ的针尖结构如图（２）为扫描隧道显微镜构造原理图十分关键，针尖的粗细、形状和化学性质不仅影响ＳTM图象的分辨率和图象的特性,而且在谱的测定中影响所测定的电子态.理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子，并且针尖的表面没有氧化层和吸附物质,这样才能获得稳定的隧道电流和原子级分辨率的图象．常用的针尖材料为钨或铂铱合金,钨针尖由于刚性好而被广泛使用,但其表面容易形成氧化物，所以在使用前需要加以适当处理并保持在真空中.铂铱针尖由于其高度的化学稳定性尤其适合于大气或液态环境中使用．针尖的制备一般采用电化学腐蚀方法，在NaOH或KOH溶液中将钨丝作为阳极，施加交流或直流电压，控制电压和电流及其它电化学参数可使腐蚀后的针尖尖端曲率半径小于50nｒn.STM由计算机控制数一模变换提供阶梯电压,经过直流高压放大器后,分别加在一平面压电陶瓷管的外电极上，使针尖沿二维平面方向作光栅扫描．隧道结电流经过控制电路进入计算机系统与预定电流设置值比较,不相等时根据差值符号和幅度输出相应控制值,经过高压放大来改变扫描机构压电晶体的伸长或收缩，使隧道电流稳定在预定的设置值.控制电路的其它部分是用于控制步进机构和提供偏压等功能.由于隧道电流非常微弱仅为纳米量级,SＴM要求各机械运动部分十分稳定，所以控制电路除了要求高灵敏度、高稳定度等性能外，其噪声必须很小.4、STM的优越性及其应用STM的分辨本领非常之高，大大优于一般的电子显微镜，它的横向(表面)及纵向(深度）分辨率可以达到1埃至0．ｌ埃，而一般的电子显微镜仅能达到几十纳米分辨率就相当不错了．用STM来观察石墨时,它表面上的碳原子在显微图象上就像一个小馒头一样清晰.ＳTM还可以直接观察到物质表面的三维立体图象,能够得到物质表面的局域结构信息以及电子信息．在ＳTM仪器上可以同时探测扫描隧道谱(ＳTＳ)而获得物质表面的势垒高度、电荷密度波等物理参数，这都是电子显微镜无法做到的.电子显微镜只能够在高度真空的条件下才能工作；而ＳTM既可以在真空也可以在大气中工作．工作环境可以是常温，也可以是低温；甚至可以把样品浸泡在水里，电解液里,或者液氮当中.这就大大拓宽了STM的应用范围，许多只能在溶液中保持活性的生物样品，只有采用SＴM才能够做出最接近自然状态的观察．STＭ的针尖还可以用来移动和操纵单个的原子和分子，这是其他任何类型的显微镜都做不到的.电子显微镜由于附带了真空系统,体积上都显得宠大笨重,而在大气环境中工作的STM则小巧玲珑多了．一台ＳＴM只由三部分组成，每部分的体积都不会超过一般的个人用微型计算机.STＭ使人们第一次能够直接观察到原子在物质表面的排列状态和跟表面电子行为有关系的物理化学性质．因此，它对表面科学、材料科学、生命科学和微电子技术的研究都有着重大的意义和广阔的应用前景．科学界一致认为,STM的出现是表面科学和表面现象分析技术的一次革命.借助性能如此优越的显微镜,中外科学家在众多领域里，开展了各种卓有成效的研究工作,解决了许多理论和实验上的疑难问题．这里只举出一个最经典的研究实例：硅的７×７表面重构问题.硅是一种最常用的半导体材料，它的内部结构属于晶体类.在晶体的表面,构成晶体结构的基本单位——晶胞，往往会发生一定的变化，重新形成表面上特有的晶胞结构，这种现象称为表面重构．表面重构后的基本结构与晶体内部相比,可以用一些数字化的指标来进行表征分类.例如可有2×1、5×５、7×７等表面重构,意为表面的基本组成结构和晶体内部的基本单位晶胞相比，在某一方向上增大多少倍等等．硅表面的重构现象究竟属于哪一种?这个问题困扰了科学家们长达３0多年.其间有人用X射线衍射,低能电子衍射等手段观察过多次，始终只是得到推测的重构模式．而没有直观的图象．宾尼希和罗雷尔发明STM后不久，即把它应用于观察硅的表面重构,从显微照片上（如如图(3)为Si（１１1)表面图４）清晰地显示出硅表面发生了７×7重构而不是其他类型.如今,硅表面（7×7）再构图示７×7重构的图象已成为STM发展史上的一张非常经典的图象，并且，许多ＳTＭ实验室都可在超高真空条件下，轻而易举地获得这一结果.SＴＭ对金属表面原子结构、金属的氧化和腐蚀机理等进行了深入的研究．例如研究Ｃu表面具有不同氧覆盖度时，通过氧在表面化学吸附诱导铜表面再构的形成和生长过程，发现在Cu(100）表面每隔4行丢失1行铜原子，Cu－Ｏ－Cu原子链在Cu（100)表面某一方向成核，然后外延生长.而在Ｃu(１00）表面在不同氧覆盖度时有多种再构情况,其中（2×1）再构是先在平整的平台上成核，然后各向异性地生长出Ｃu－O－Cu链，而Cｕ（6×２)再构却先在台阶边缘上成核，然后各向异性生长．SＴM还用于超导材料的研究,它可以在原子尺度的空间研究超导体能隙．例如它被用于Bi2Ｓｒ2ＣaＣu2O8高T ｃ氧化物超导体的ＢiO面电子态密度测量，结合其它分析技术就可确定材料不同层的电导特性.已有许多实验室将STM用于薄膜生长机理研究和薄膜结构性能的研究.例如对C60分子薄膜在Si和GaＡs不同晶面上的生长过程研究，弄清了生核初始阶段的标度规律和成核设置．STM可在大气和液态环境下使用，而且对样品不产生损伤。