扫描隧道显微镜实验报告

扫描隧道显微镜实验

13应用物理（1）班杨礴2013326601111

一、实验目的

1.学习扫描隧道显微镜的原理和结构

2.学习利用扫描隧道显微镜观察样品的表面形貌

二、实验原理

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：

Vb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。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密度的分布。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。

从式可知，在Vb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Vz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)不能区分这两个因素，但用扫描隧道谱（STS）方法却能区分。利用表面功函数、偏置电压与隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。

三、实验仪器

STM-IIa型扫描隧道显微镜

四、实验内容

1.开启计算机，控制机箱，高压电源，前置放大器，偏压电源

2.用粗调旋钮将样品逼近微探针-至样品与探针间距约1mm

3.用细调旋钮将样品缓慢逼近微探针-至样品与探针非常逼近

4.扫缓慢细调并观察机箱显示读数-至隧道电流信号约1.50nA左右，Z

向反馈信号约-150——-250之间

5.读数基本稳定后，打开扫描软件，开始扫描

6.STM关机操作步骤-先细调退出。关闭偏压电源，前置放大器，高压电

源，控制机箱，计算机

五、数据结果

六、结果讨论

1.机箱显示读数显示的隧道电流，在样品非常逼近时，会迅速发生变化，因此在调节距离时，需要小心谨慎。

2.X方向与Y方向均为4000nm范围，Z方向为74.0nm。

七、扫描隧道显微镜的具体应用

1.扫描

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。

八、STM的优越性

1.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0.1

埃，即可以分辨出单个原子。

2.可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可以浸在水或其

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。

3.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研究。

九、参考文献

1.杨景景，杜文汉，Sr/Si（100）表面TiSi纳米岛的扫描隧道显微镜研究，物理学报，2011，60（3）

2.谢天生，杜昊，孟祥敏，孙超，闻立时，纳米Ti膜形成过程的扫描隧道显微镜观察，金属学报，2001，37（2）