扫描隧道电子显微镜
扫描隧道显微镜详解
1．参数设置
①“隧道电流”：指“恒流模式”中要保持的恒定电流，也 代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。 该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“隧道电 流”一般设在“0.5-1.0nA” 范围内。
②“偏置电压”：是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道 电流的电压真实值。这一数值设定越大，针尖和样品之间 越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小； “恒高扫描模式”中产生的隧道电流也越大。“偏置电压” 值一般设定在“200-1000mV”范围左右。
1990年，IBM公司的科学家展示了一项成果，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。
ห้องสมุดไป่ตู้
2．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1)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，透射系数 T 为：
T
16E(V0 V02
E
)
e
2a h
2m(V0 E )
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。
3．扫描隧道显微镜的工作原理
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。
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STMppt课件
世界上第1台扫描隧道显微镜
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
世界上第1台扫描隧道显微镜
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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 为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
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。
5.场发射形貌描绘仪
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，
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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。
扫描隧道显微镜的使用教程
扫描隧道显微镜的使用教程随着科学技术的进步，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）作为一种高分辨率的显微技术，被广泛应用于材料科学、纳米技术等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的基本原理和使用教程，帮助读者了解并正确运用这一先进的显微镜技术。
一、基本原理扫描隧道显微镜基于一种称为隧道效应的物理原理。
当一根尖端针的尖端与被测物体非常接近时，由于电子的波动性，电子会发生隧道穿越现象，从尖端流向被测物体表面。
通过测量流经尖端的电流大小，我们可以得到被测物体表面的形貌信息。
二、准备工作在使用扫描隧道显微镜之前，首先需要准备相关的实验设备和样品。
实验室中应该配备一台高精度的扫描隧道显微镜系统，以及适量的样品和导电性良好的探针。
确保实验环境干净、无尘，以避免尘埃影响显微镜的观察效果。
三、样品制备与安装选择合适的样品，并进行必要的表面处理，以保证样品表面的平整度和干净度。
常见的处理方式包括超声清洗、化学溶液浸泡等。
待处理好的样品需要被固定在扫描隧道显微镜样品台上，可以使用夹具、胶带或其他固定装置。
确保样品的稳定性，以免在扫描过程中发生移动或变形。
四、扫描参数设定在开始实验之前，需要根据样品的性质和实验需求来设定扫描参数。
这些参数包括扫描区域的大小、扫描速度、扫描模式等。
通常情况下，较小的扫描区域能够提供更高的分辨率，但同时需花费更长的扫描时间。
根据实际需要进行权衡，并进行相应的设定。
五、开始扫描确认样品和参数设定后，即可开始实际的扫描操作。
在扫描过程中，需要特别注意显微镜头与样品的距离。
通过微调装置，逐渐将尖端针靠近样品表面，直到隧道电流能够经过，并稳定在合适的范围内。
同时，需要根据实际情况进行针尖的横向和纵向调整，以使得扫描过程中的信号稳定和清晰。
六、结果分析与处理扫描完成后，可以得到样品表面的形貌信息。
使用相应的软件工具，可以对获得的数据进行图像重建、三维重建和分析处理等操作。
高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜
高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜高分辨电子显微镜与扫描隧道显微镜是现代科学领域中非常重要的工具。
它们被广泛应用于材料科学、生物学、化学等各个领域，为科学研究提供了重要的技术支持。
这两种显微镜在原理和应用上有一些共同点，但也存在一些区别。
本文将重点探讨它们的原理、应用和未来发展方向。
高分辨电子显微镜（High-Resolution Electron Microscopy，简称HRTEM）是一种使用电子束来观察和分析样品的显微镜。
与光学显微镜相比，电子束具有更短的波长，能够提供更高的分辨率。
HRTEM可以观察到物质的原子排列和晶体结构，因此在材料科学领域中有着广泛的应用。
它可以帮助科学家研究材料的晶格缺陷、晶界和界面等微观结构，从而深入了解材料的性质和行为。
在纳米科学和纳米技术领域，HRTEM也发挥着重要作用。
通过HRTEM，科学家可以观察到纳米材料的尺寸、形状和结构，为设计和制备新型纳米材料提供了宝贵的信息。
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，简称STM）是一种利用量子力学中的隧穿效应来观察和操控样品表面原子的显微镜。
STM是由瑞士物理学家弗兰茨·巴尔扎（Gerd Binnig）和海因里希·罗尔（Heinrich Rohrer）于1981年发明的，为他们赢得了诺贝尔物理学奖。
STM不同于传统显微镜，它不需要光学透镜来放大图像，而是通过在样品表面移动电子束来扫描，并通过隧道电流的变化来重建样品表面的原子结构。
STM不仅能够提供更高的分辨率，还能够在原子尺度上进行操控。
它被广泛应用于表面物理学、纳米技术和生物物理学等领域。
通过STM，科学家可以观察和操控单个原子和分子，研究表面反应、表面吸附和纳米材料等问题。
尽管高分辨电子显微镜和扫描隧道显微镜在原理和应用上有一些不同，但它们也存在一些共同点。
首先，它们都利用电子束来观察和分析样品，因此可以提供更高的分辨率。
电子显微镜和扫描隧道显微镜
电子显微镜和扫描隧道显微镜- 电子显微镜与扫描隧道显微镜显微镜是生命科学和物理学研究中最常用的工具之一。
从简单的光学显微镜到高级的电子显微镜和扫描隧道显微镜，显微镜在不同领域中都起着至关重要的作用。
电子显微镜（EM）和扫描隧道显微镜（STM）是现代科学中最重要的显微镜之一，它们在材料科学、物理学、化学和生命科学等领域中都具有广泛的应用。
- 电子显微镜（EM）电子显微镜是一种使用电子束而非光线的显微镜。
它使用的光束是电子束，通过电镜管产生。
这种方法比光线显微镜提供更高的分辨率，可以获得更高的放大倍率，因此可以检测纳米级别的细节。
电子显微镜有两种主要类型：透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
TEM使用点状的能量电子束穿过样品，模拟晶体结构的形象，如生物分子或晶格。
与透射电子显微镜不同，SEM不是通过射线，而是通过扫描一个电子束的“感应场”对样品进行显微镜检查的。
SEM在图像处理方面更加灵活，因为沿特定的方向移动的“感应场”仅作用于特定的物体。
SEM还可以使用样品表面的中子以增强样品的成像质量。
- 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜（STM）是由瑞士物理学家希罗德·罗斯特和德国物理学家海因里希·鲍姆（Heinrich Rohrer和Gerd Binnig）首次发现的。
STM使用一个非接触的探针通过扫描样品表面来检测电流。
STM的分辨率超过了几个原子的间距，并可检测网络结构的局部。
STM没有透射电子显微镜或扫描电子显微镜，因为它检测的是样品表面的原子状态。
但与透射电子显微镜和扫描电子显微镜不同，STM使用的探头不留下成像细节，但非常适合检测表面的局部结构。
- 应用电子显微镜和扫描隧道显微镜可以应用于不同领域，如以下例子所示：材料科学：电子显微镜可用于研究纳米颗粒、多晶金属等材料科学研究，以及晶体成长和表面变换等方面的基础研究。
STM可用于生成高分辨率的图像，可以研究新颖材料的原子结构。
扫描隧穿显微镜
应用
隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感， 隧道间隙即使只发生0.01nm的变化，也能引起 隧道电流的显著变化。 如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该光滑 样品表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在 x，y方向扫描，由于每个原子有一定大小，因而 在扫描过程中隧道间隙就会随x，y的不同而不同， 流过探针的隧道电流也不同。即使是百分之几纳 米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。利用 一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变 化记录下来，即可得到分辨本领为百分之几纳米 的扫描隧道电子显微镜图像。
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。
应用
隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应 及隧道电流。金属体内存在大量"自由"电子，这些"自由" 电子在金属体内的能量分布集中于费米能级附近，而在 金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此， 从经典物理学来看，在金属内的"自由"电子，只有能量 高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外 部。但根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波 动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时， 会有一部分透射。也就是说，会有部分能量低于表面势 垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的"电 子云"。这种效应称为隧道效应。所以，当两种金属靠得 很近时（几纳米以下），两种金属的电子云将互相渗透。 当加上适当的电压时，即使两种金属并未真正接触，也 会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流称为隧 道电流。
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
扫描隧道显微镜的原理及应用 ppt课件
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
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
扫描隧道显微镜的原理及应用
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
扫描隧道显微镜的原理及应用
• 发明人为德裔物理学家葛.宾尼(Gerd Bining)博士和他的 导师海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士
• 他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室. • 他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明
STM • 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一
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 3 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。
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，在屏幕上即显示出与样 品表面结构相关的信息。
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。
电子显微镜与扫描隧道显微镜的应用
电子显微镜与扫描隧道显微镜的应用当我们想要观察通常无法分辨的微观结构时，电子显微镜和扫描隧道显微镜这两种现代显微技术成为了不可或缺的工具。
它们可以将原本模糊和不清晰的物质信息变成高质量、高分辨率的图像，我们可以通过它们观察到最基本的元素和原子的结构，同时揭示出许多新颖的现象和材料特性。
在本文中，我们将会详细介绍这两种显微技术的原理和应用。
一、电子显微镜电子显微镜是一种基于电子束的显微技术，可以将电子束聚焦到纳米尺度的大小，它的分辨率比光学显微镜高出一个数量级以上。
电子显微镜主要分为两种类型：透射电子显微镜和扫描电子显微镜。
1. 透射电子显微镜透射电子显微镜（TEM）可以穿透样品，从而形成一个类似于投影的电子图像，并且可以将样品的内部细节显示出来。
它利用一个高能电子束透过样品，透射的电子会受到样品中原子的散射、吸收和衍射等过程的影响，最终被收集到一个荧光屏或摄像机上。
TEM的分辨率可以达到0.1纳米，可以用来观察纳米级别的结构和原子排列方式，因此在材料科学、生物医学等领域中有着广泛的应用。
例如，科学家们可以通过TEM观察到米粒、晶粒和原子的结构，以深入研究材料的特性，并利用这些知识开发出更高性能的材料。
在生物医学领域，TEM可以用来观察细胞超微结构，以探索细胞的生命活动。
2. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）则是一种利用电子束对样品进行扫描成像的技术，可以获得样品表面的三维结构。
SEM通过扫描物质表面形成图像，电子束会与样品表面原子发生相互作用，并在样品表面产生一系列的信号和反应，这些信号通过不同的探测器被检测并转换为图像。
相比于TEM，SEM的分辨率略低，一般在10-50纳米。
不过，它有着更广泛的应用，包括材料科学中的表面形貌研究、纳米技术研究、生物科学中的细胞外形状观测等。
例如，在材料科学中，SEM可以观察到纳米结构表面的缺陷和形貌，对研究材料力学性能有着很大的帮助。
二、扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜（STM）是一种基于隧道效应的显微技术，它是以极高的分辨率扫描表面上绝缘或半导体物质表面的电子结构的一种方法。
扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜
SEM的应用
(1)生物：种子、花粉、细菌…… (2)医学：血球、病毒…… (3)动物：大肠、绒毛、细胞、纤维…… (4)材料：陶瓷、高分子、粉末、环氧树 脂…… (5)化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥(杆 菌) 、机械、电机及导电性样品，如半导体 (IC、线宽量测、断面、结构观察……)电子材 料等。
寻求感兴趣的样品区域
调节对比度和亮度， 使样品在显示屏上显示出来
调整放大倍数并调焦 （要遵循高倍聚焦低倍照的原则）
慢速扫描，照相，保存
打开样品室，取出样品， 关上样品室，抽真空， 当真空指示灯亮时，
将仪器置于准备状态，完毕
做完后，将电流和电压值回零， 将对比度、亮度值回零，
放大倍数降到100左右，关闭V1阀
• ⑷试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或 不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到 SEM中进行观察。一般来说，比透射电子显微镜 （TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真 实状态；
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特点
• ⑷可做综合分析。 • SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪）
或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后， 在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行 元素分析。 • 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或 集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。 • 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处 于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显 微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
• 出于高能电子束与样品物质的交互作 用，结果产生了各种信息：二次电子、 背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇 电子、阴极发光和透射电于等。
• 这些信号被相应的接收器接收，经放 大后送到显像管的栅极上，调制显像 管的亮度。由于经过扫描线圈上的电 流是与显像管相应的亮度一一对应， 也就是说，电子束打到样品上一点时， 在显像管荧光屏上就出现一个亮点。 扫描电镜就是这样采用逐点成像的方 法，把样品表面不同的特征，按顺序、 成比例地转换为视频传号，完成一帧 图像，从而使我们在荧光屏上观察到 样品表面的各种特征图像。
扫描隧道显微镜
1. 扫描
VI. 具体应用
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度
空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有
极高的空间分辨率，可以进行科学观测。
2. 探伤及修补
STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对 表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺 陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断 连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用
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。
扫描隧道显微镜下图：
X射线光电子能谱(XPS)等只能提供空间平均的电子结构信 息；
扫描隧道显微镜概述
1982年IBM公司苏黎世研究所Gerd Binning 和Heinrich Rohrer研制第一台扫描隧道显微 镜（Scanning tunneling microscope, STM）;
第一次直接观察到物质表面上单个原子及其排 列状态，并能研究其相关物理和化学特性;
2.恒高度模式 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
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。
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扫描隧道电子显微镜
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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。
发展编辑
它于1981年由格尔德·宾宁(Gerd
K.Binnig)及亨利希·罗勒(Heinrich Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
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。
此外扫描隧道显微颌在低温下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。
原理编辑
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。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为1nm，它是电
子逸出表面势垒的量度。
如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠；如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)。
工作方式编辑
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。
恒流模式
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。
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，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。
这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。
应用编辑
隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理
学上的隧道效应及隧道电流。
金属体内存在大量"自由"电子，这些"自由"电子在金属体
内的能量分布集中于费米能级附近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的
势垒。
因此，从经典物理学来看，在金属内的"自由"电子，只有能量高于边界势垒的那
些电子才有可能从金属内部逸出到外部。
但根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有一部分透射。
也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的"电子云"。
这种效应称为隧道效应。
所以，当两种金属靠得很近时（几纳米以下），两种金属的电子云将互相渗透。
当加上适当的电压时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流称为隧道电流。
隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化
非常敏感，隧道间隙即使只发生0.01nm的变化，也能引起隧道电流的显著变化。
如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该光滑样品表面上十分之几纳米的高度上
平行于表面在x，y方向扫描，由于每个原
子有一定大小，因而在扫描过程中隧道间隙就会随x，y的不同而不同，流过探针的隧
道电流也不同。
即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。
利用一台
与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨本领为百分之几纳米的扫描隧道电子显微镜图像。
展望编辑
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。
词条标签：
中国电子学会，自然学科，科技，理学，物理学，仪器
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什么是权威编辑查看编辑版本
资源提供
1 定义
2 背景
3 发展
4 原理
5 工作方式
5.1 恒流模式
5.2 恒高模式
6 应用
7 展望
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