大学物理仿真实验——扫描隧道显微镜
近代物理实验报告—扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（STM ）的原理及应用【摘要】本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，掌握用电化学腐蚀钨丝的方法制备扫描隧道显微镜的针尖，并用所制作的钨探针扫描石墨样品，获取石墨样品的原子分辨像。
再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，计算x 、y 方向压电陶瓷的电压灵敏度为15.74 Å/V ，并分析了扫描图像效果的差影响因素。
【关键词】扫描隧道显微镜、隧道效应、探针、粗逼近一、引言：扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy ，简称STM ）是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一，它由IBM 公司的Binning 博士、Rohrer 博士及其同事于1982年研制成功，两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。
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 能够一个原子一个原子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及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
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。
但STM 也有明显的缺点：由于原子波函数的叠加，STM 在恒电流的工作模式下对样品表面的某些沟槽不能准确探测，与此相关的分辨率较差；另外，STM 所观察的样品必须有一定的导电性，对于半导体，观察效果就差于导体，而对于绝缘体则根本无法观察。
不过，在STM 之后衍生的原子力显微镜、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在很大程度上弥补了STM 的不足，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。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜实验报告扫描隧道显微镜实验报告引言：扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种重要的纳米尺度观测仪器，它通过利用量子隧穿效应来实现对表面原子的成像。
本实验旨在通过使用STM来观察和研究不同样品表面的原子结构和性质，以及探索STM在纳米科学和纳米技术领域的应用前景。
实验方法：1. 样品制备：选择不同材料的样品，如金属、半导体或绝缘体，并进行表面处理，如抛光或清洗，以确保表面平整和干净。
2. STM装置设置：将STM装置连接至计算机，并进行相关设置，如校准扫描范围和调整扫描速度等参数。
3. 样品安装：将样品固定在样品台上，并确保其与STM探针的接触良好。
4. 扫描图像获取：通过控制STM探针的运动，以及调整扫描电压和电流等参数，获取样品表面的原子级分辨率图像。
5. 数据分析：利用专业的STM图像处理软件对所获得的图像进行分析和处理，以提取样品表面的结构和性质信息。
实验结果与讨论：通过对不同样品进行STM观察，我们可以得到高分辨率的原子图像。
以金属样品为例，我们观察到了其表面的原子排列规律，如金属晶体的晶格结构。
通过测量原子之间的间距，我们可以获得样品的晶格常数，并进一步研究其晶体结构和晶体缺陷等特性。
在半导体样品的观察中，我们可以发现其表面的原子排列存在一定的有序性，但与金属样品相比，半导体样品的表面结构更为复杂。
通过对半导体晶体表面的原子分布进行分析，我们可以了解其晶体生长过程中的缺陷形成机制，并为半导体器件的制备和性能优化提供重要参考。
此外，我们还观察到了绝缘体样品的表面结构。
与金属和半导体样品不同，绝缘体样品的表面原子排列更为松散和无序。
通过对绝缘体样品表面的原子间隙进行测量，我们可以得到绝缘体材料的晶格参数和晶体结构信息，为其性质研究和应用提供基础。
扫描隧道显微镜不仅可以提供原子级分辨率的表面图像，还可以通过在不同扫描位置测量电流变化来研究样品的电子态密度分布。
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。
扫描隧道显微镜实验报告
近代物理实验报告扫描隧道显微镜学院数理与信息工程学院班级姓名学号时间摘要：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：工作原理工作模式仪器构成操作方法0 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。
2002年，曾在浙江大学举办的暑期物理竞赛夏令营中初步领略扫描隧道显微镜的风采，我认为了解和掌握扫描隧道显微镜的原理和操作对了解当代科技和先进技术有很大的帮助。
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。
实验扫描隧道显微镜
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．
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．
目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。
一、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 Micro－scoPe，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．
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．
PART ONE
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．
PART ONE
物理实验技术中的扫描隧道显微镜操作指南
物理实验技术中的扫描隧道显微镜操作指南引言：物理实验技术的发展带给我们许多强大而精确的工具，其中扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种重要的实验仪器。
STM能够以原子尺度分辨率观察材料表面的拓扑结构和电子特性，因此在纳米科学和纳米技术的研究方面起着重要作用。
本文将为初学者提供一份关于扫描隧道显微镜操作的指南。
一、前期准备1. 清洁实验环境：由于STM对干净环境的要求极高，操作前需要将实验室环境保持整洁，排除尘埃和任何可能引入干扰的因素。
2. 样品准备：选择适当的样品，并且确保它是平坦而干净的。
疏散样品周围的空气中的颗粒物将有助于保持表面的洁净度。
二、扫描隧道显微镜操作步骤1. 安装准备将STM安装在一个稳定的操作台上，并确保它与其它设备的隔离。
连接所有的电缆，并确保电源正常。
2. 校准系统使用标准校准样品（例如金属和晶化硅）对STM系统进行校准，以确保其工作正常并获得准确的测量结果。
3. 选择适当的探针根据实验需求，选择合适的扫描探针。
不同的探针形状和尖端结构对于样品的表面特性和拓扑结构观察具有不同的影响。
4. 样品加载使用样品夹将样品固定在STM样品台上，并确保样品与探针之间有适当的距离。
5. 调整探针和样品之间的隧道电流通过调整隧道电流和样品高度，优化STM的工作条件，以便于准确测量样品表面的原子形貌。
6. 开始扫描使用STM控制软件启动扫描程序，并设置扫描区域和扫描速度。
观察图像时要保持稳定，以避免扫描时的晃动。
7. 数据处理通过相关软件对获得的结果进行数据处理和分析，提取有关样品表面特性的信息。
8. 知道要解决的问题在进行扫描隧道显微镜操作之前，要明确研究的问题。
根据实验目标合理规划实验方案，并记录实验条件和结果。
三、常见问题和解决方法1. 样品破损当样品不够稳定时，可能存在破损的风险。
解决办法是经常检查样品的位置，并调整样品夹以确保其稳定性。
扫描隧道显微镜-复旦大学物理教学试验中心
扫描隧道显微镜-复旦⼤学物理教学试验中⼼扫描隧道显微镜实验分析及讨论0530052 杜⽩材料物理摘要分析实验中各参数的影响,对图像的产⽣中的主要因素进⾏讨论,并提出⼀些改进⽅法,最后谈谈实验感想.引⾔我们早就知道了物质是由分⼦和原⼦组成,但是普通的显微镜难以做到观察物质原⼦排列的分辨率.扫描隧道显微镜则可以在极⾼的分辨率下直接给出固体表⾯原⼦的排列情况,使⼈们亲眼看到了它们的存在.与其他的显微镜相⽐,扫描隧道显微镜在⼤⽓环境下就可以得到稳定的⾼分辨率的原⼦图像.我做这次实验的主要内容是通过对扫描隧道显微镜学习,观察光栅表⾯形貌,从⽽对扫描隧道显微镜有⼀个初步了解.理论部分:扫描隧道显微镜的⼯作原理扫描隧道显微镜的⼯作原理是基于量⼦⼒学中的隧道效应.粒⼦能穿透⽐它动能更⾼的势垒的现象,称为隧道效应.扫描隧道显微镜的基本原理是原⼦线度极细的探针和被研究物质表⾯作外两个电极,当样品与针尖的距离⾮常接近(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.隧道电流是电⼦波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离s以及平均功函数有关.被测样品应具有⼀定的导电性.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样品表⾯形貌图,这就是扫描隧道显微镜的⼯作原理.实验部分实验⽤NanoSPM-Ⅲ型扫描隧道显微镜.⼤体步骤如下:①⽤棉球占丙酮清洗底盘,针尖以及要剪针尖的硬钢丝剪⼑.剪时沿30°劈⾓或更⼩劈⾓使针尖有较强的硬度和尖度.在底盘上装上样品(光栅).②利⽤放⼤镜⼿动进针和计算机⾃动进针使针尖进⼊样品的隧道区.③通过具体参数的改变,扫描观察得较清晰的图像.这⾥设定参数是主要环节,具体参数有:扫描⾓度,扫描量程,扫描速度,中⼼位置,⽐例增益,积分增益,针尖偏压,隧道电流,⾼度图像显⽰范围,电流图像现实范围.④利⽤软件进⾏图像的离线分析,得直观形象的结果.实验的主要环节在设置合理的参数得到清晰的实验图,那么怎样选择参数显得很关键.下⾯谈谈通过实验,我对这些参数的理解.扫描范围—针尖扫过样品的长度.⼀般设置为使图像上出现3个完整的光栅图像,1000nm.扫描速率—在扫描范围内扫描的速度.扫描速度太快会导致图像清晰程度降低,因为在恒流模式下针尖在样品某处的停留时间是⼀定的,扫描速率太快,针尖对样品还没来得及做出伸缩反映便已经扫描下⼀个点了,不利于得到图像.速率过慢也没必要,浪费有效的实验时间.本次理想实验值1hz扫描⾓度—针尖与样品之间的扫描夹⾓.由于是⽤剪⼑剪的针尖,在放置针尖时品与针尖的具体⾓度⽆法得知.实验时我改变了⾓度并扫描,以得到最清晰的图时的⾓度为最好.最终在不改变默认⾓度时图像最能接受.⽐例,积分增益—分别为前置放⼤器的增益和积分时间.增益的主要⽬的是使微⼩的改变变⼤,因此需要有适当的⽐例.⽽过⼤则会使图像失真.实验是较好的值是5.00中⼼位置—改变中⼼位置可以改变扫描样品的位置,便于寻找样品的理想观察区.针尖偏压—针尖与样品之间的偏压.隧道电流和加在针尖与样品之间的偏置电压V如下关系:I=BVexp(-kS)B是常数,k是与平均功函数有关的数,样品与针尖距离为S. 实验偏压设置为0.5nA.隧道电流—设置恒流值的⼤⼩.⾼度图像现实范围,电流图像现实范围—控制显⽰量程的量,实验时量程的选择应使⾼度和电流恰好在量程内显⽰出来,这样图像就会有⾼度差异,便于做⽴体图.结果与讨论:在以上参数的设置下,我扫描得到了相对好⼀点的图像.做了⼀张三维图像.其实这张图⽚的质量也不很理想,只是反映出了光栅的⼤致⾯貌,图像与真实相差还⽐较⼤,原因主要有:㈠针尖的问题.针尖的⼤⼩和形状直接关系着扫描出来的图像的优劣.因为是在⾁眼情况下剪出的针尖,虽然简便,但是可靠性不佳,⽽且针尖的宽度和形状会使图像发⽣畸变,会发⽣变窄效应㈡空⽓湿度的影响.空⽓潮湿电⼦的势垒会下降,隧穿⼏率会⼤幅提升,仪器对电流灵敏度⼀定,势垒降低,⾼度灵敏度下降,图像受到影响.但是实验条件下湿度为70％,影响不可忽略. ㈢外界震动的影响.扫描隧道显微镜的精确度⾼达原⼦级,对外界的环境有较⾼的要求.外界的震动有些是不可避免的,如地⾯上传来的⼀些固有震动等.但是很多⼈为因素影响可以减⼩,例如⼈的说话⾛动,空调等机器的震动等,这些反映在图上就是扫描区域的不连续图像. ㈣实验参数的设置.实验中,实验参数之间的搭配如果考虑不周,也会对结果有影响.这就需要耐⼼的实验和改进.基于上述问题,⽐较有效的改进⽅法有三:⼀个是扫描设置参数的进⼀步优化.多次实验总结进⽽得出较好的参数搭配.另⼀个是改变探针的制备⽅式,如腐蚀法:先在溶液中腐蚀使端部有⼀个尖锐的⼩尖,再使该尖端在腐蚀剂中⼭下移动快速接触,这样尖端会更尖锐,表⾯更光滑.第三是减⼩⼈为的噪声,震动,做实验注意轻和缓.我们在实验中能看见装置都是放在底部垫有厚厚的缓冲垫的桌⼦上,并且实验仪器桌⼦和其他桌⼦都是分开的,就是为了消除外界⼲扰.有设备的话可以在实验前进⾏除湿⼯作.⼩结:本次实验让我更深刻地了解了STM的⼯作原理及其特点,通过学习,提出实验中⼀些可以改进的⽅法.这在实验中确实很重要.本实验对操作要求较⾼,所以也是锻炼我们动⼿能⼒和解决问题能⼒的好机会.况且由于实验器材昂贵精密,稍有疏忽就会有很⼤的损失,这就更加督促我们认真⼩⼼实验.感谢实验中马进以及⽼师的帮助指导,使我在顺利完成实验的同时,也对实验有了更深刻更全⾯的了解.参考⽂献:<<物理实验补充讲义>> 复旦⼤学物理教学实验中⼼马进<>⽩春礼,扫描隧道显微术及其应⽤,上海科学技术出版社,1992。
物理仿真实验报告
物理仿真实验报告学号：2010038026班级：化工02姓名：高林娜时间：2011.12.20实验题目：扫描隧道显微镜一、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；4. 学习用计算机软件处理原始图象数据。
二、实验原理：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，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：由式(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。
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。
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以及平均功函数Φ有关：式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数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。
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。
扫描隧道显微镜技术在物理实验中的应用教程
扫描隧道显微镜技术在物理实验中的应用教程随着科学技术的快速发展，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）在物理实验中的应用越来越广泛。
本文将以教程的形式，介绍STM技术在物理实验中的应用。
一、STM技术的基本原理STM是一种利用量子力学效应的显微镜，它基于隧道效应来研究材料的表面形貌和电子结构。
其基本原理是利用一根非常尖锐的探针，通过调节探针和待测物体之间的距离，从而在表面上扫描来实现纳米级的精度。
二、STM的装置及操作步骤1. 准备工作进行STM实验前，需要清洁实验环境并确保实验室的温度、湿度等环境条件符合要求。
同时，需要准备一个待测的物体样本，并在实验装置中安置该样本。
2. 调整仪器参数首先，将电子学部分的所有参数恢复到初始状态，然后按照实验要求调整扫描仪的参数，包括扫描范围、速度以及扫描模式等。
一般来说，扫描范围在几十纳米至几百纳米之间。
3. 定位探针在STM实验中，选择一根足够尖锐的探针非常重要。
将探针的尖端靠近待测样本表面，并用微调仪器逐渐接近，直到观察到探针和表面之间的隧道电流。
此时，探针即可被认为已经定位正确。
4. 调整扫描参数根据实验要求，调整扫描参数是实验中的关键步骤之一。
通过改变扫描参数，可以获得不同精度和分辨率的图像。
例如，增大扫描速度可以获得较快的成像结果，但牺牲了图像的精确度。
5. 开始扫描在调整好所有参数后，即可开始实际的扫描。
通过调节扫描电压和电流，控制探针与样本表面的距离，从而实现对样本表面形貌和电子结构的扫描。
三、STM技术在物理实验中的应用案例1. 材料表面分析利用STM技术可以观察到各种材料的表面形貌，精确到纳米级别。
通过观察表面的原子排列和结构，可以获得有关材料物理性质的重要信息，如晶体结构、表面缺陷等。
2. 分子结构研究在化学领域中，STM经常被用于研究分子结构。
通过在样本表面浸润分子物质，并用STM观察分子的排列方式和化学键的形成情况，可以获得分子结构的重要信息。
扫描隧道显微镜实验报告
扫描隧道显微镜【摘要】本实验利用化学腐蚀法制作STM 针尖，再利用所得针尖进行恒电流模式扫描，以得出样品高定向热解石墨（HOPG ）的扫描图像，经过图像除干扰处理，最后得出电压灵敏度分别为21.20(ÅV ⁄)和29.35(ÅV ⁄)。
【关键词】STM ，恒电流，扫描【引言】扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，简称为STM 。
STM 技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特征成为可能,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，是国际公认的20世纪80年代世界十大科技成就之一。
【实验原理】扫描隧道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。
如图1所示，φ0为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，则该粒子穿透厚度为z 的势垒几率P 可用下式表示：P (z )∝e −2kz，其中k =1ℏ√2m (φ0−E )。
STM 技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏置电压的针尖。
当图 1 典型矩形势垒的隧穿几率函数样品和探针的距离非常近时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录隧道电流的变化就可以得到有关样品表面的形貌信息。
而隧道电流可用下式表示：I=V b exp(−AΦ12s)其中，V b是加在针尖和样品之间的偏置电压，Φ≈12(Φ1+Φ2)，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.STM针尖工作方式可分为恒高和恒电流两种模式。
扫描隧道显微镜实验报告
一、实验目的1.采用探针扫描显微镜进行微纳米级表面形貌测量。
2。
了解扫描探针显微镜的工作原理并熟悉原子力显微镜的操纵。
二、实验设备原子力显微镜、光盘块、装有SPM Console在线控制软件和Image后处理软件的计算机。
三、实验基础原子力显微镜（Atomic Force Microscope ，AFM）,一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。
原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定,带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。
利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息.激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection, Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用的一种为例，其工作原理如图1所示。
二极管激光器（Laser Diode）发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂（Cantilever）背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器(Detector）.在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。
在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米（10e-9米）量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路（Feedback)的作用就是在工作过程中，由探针得到探针-样品相互作用的强度,来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离,反过来控制探针样品相互作用的强度,实现反馈控制。
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。
stm实验——精选推荐
扫描隧道显微镜（STM）实验1982年G . Binning 和H. Rohber 首先利用电了隧道效应，研制成功扫描隧道显微镜。
经过不断改进设计，目前第四代STM 的垂直分辨率已达0.005nm ，水平分辨率达0.2-0.6nm ，同时，利用STM 研究固体表面的原子结构和电子结构，已取得一批令人瞩目的成果。
为此，他们获得了1986年诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜具有结构简单、造价低、分辨高的优点，因而得到广泛重视和应用。
一 实验目的1．了解扫描隧道显微镜的结构，设计思想和控制与操作方法2．掌握扫描针尖的制备方法3．掌握扫描隧道显微镜研究样品表面的方法二 实验原理扫描隧道显微镜的工作原理是电子的量子隧道效应。
当在金属-绝缘体-金属夹层结构的两端加一电势，如绝缘层厚度足够小，则将有隧道电流渡过绝缘层，称电子隧道效应，两导体之间的绝缘体相当于一个势垒，如图1所示，其中)1(F E 、)2(¥F E 和1Φ、2Φ分别为导体1和导体2的费米能级和功函数（单位为eV ），s 为势垒（绝缘体）的宽度或隧道距离（单位为nm ），对于平面形势垒，当Φ<<V 时，隧道电流密度j 为).exp(8 2/121/22S V Sh e j Φ−Φ=π 其中Φ为有效势垒高度，)(2121Φ+Φ=Φ 通常Φ约为1n −个eV 。
当电压V （单位为伏特）更高时，有效势垒高度Φ是V 的函数，即)(V Φ=Φ。
图1 图2当夹层结构中的一个导体为针尖状，而另一导体为待测导电样品时，隧道电流将局限于针尖和样品之间的区域，形成有效束径为eff L 的隧道电子流束，如图2所示。
对针尖结构而言，隧道电流密度对隧道距离和势垒高度的指数依赖性仍然成立。
但（2-296）式中指数前的因子将有所改变，隧道势垒可以是金属氧化物绝缘体，也可以是真空、气体或液体，在后面三种情况下，针尖可沿样品表面自由移动，扫描隧道显微镜就是在此设想基础上提出和研制成功的。
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
扫描隧道显微镜实验-大学物理实验
图 8.3
扫描隧道显微镜的传动系统
图 8.4 恒定电流的扫描模式
待测样品被放置在非常靠近针尖的地方（约 1nm） 。如果在针尖和样品间加上一个很低的电 压（U~0.1V） ，在针尖和样品间就会有微弱电流流过（I~1nA） ，我们称之为“隧道电流” ，它是一 种量子效应， 它的大小与针尖和样品间的距离呈指数关系， 距离靠的越近， 隧道电流增加的越快。 由于隧道电流与针尖和样品的间距有这种特殊的“依赖”关系，我们可以利用隧道电流精确 的控制针尖的移动。常用的扫描模式有两种： 1． 恒定电流模式 如图 8.4 所示。在这种模式中我们通过一个电流反馈系统，保持针尖与样品间的电流不变， 而针尖则随着样品表面的的起伏而移动的，针尖位置变化就反映了样品表面的起伏。记录针尖位 置的变化，就可以在计算机上同时将原子表面的形貌显示出来。 2． 恒定间距模式 固定针尖和样品间的距离， 针尖移动时，隧道电流的大小随样品表面的起伏而变化，记录 隧道电流，同样可以在计算机上将原子表面的形貌显示出来。 三、实验准备 注意事项： 1 不要用手直接去触摸铂金丝制作的针尖； 2 不要用手直接去触摸样品的表面，取样品时，请拿它的黑色塑料头； 3 不要用手随便打开扫描头部分。 1． 扫描针尖的制备和安装 实验开始前要自己制备扫描针尖，针尖的制备是整个实验过程中最困难的一步，它制备的好 坏将决定实验能否正常进行。制备针尖需要有一定的耐心和实践经验。制备的方法如下： 1） 首先用乙醚清洁过的镊子夹起铂金丝，放入左手的扁嘴钳内夹住， ； 2） 保持左手的扁嘴钳夹住铂金丝，利用特制的切断器（wire cutter）将铂金丝切下 5mm； 3） 用左手的扁嘴钳夹住切下的 5mm 铂金丝， 将切断器尽量斜的接触铂金丝， 如图 8.5 所示；
测量时，样品必须尽可能的靠近针尖，这样“隧道电流”才可能流动。样品最大限度的接近 针尖，同时又不碰上，是一个非常细致的操作，这一过程有三种情况： LED 桔黄色 此时针尖与样品间的距离非常大，无“隧道电流” ； LED 红色 LED 绿色 此时针尖与样品相撞， “隧道电流”太大； 样品在测量范围内，有“隧道电流”通过。
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
近代物理学实验：扫描隧道显微镜——实验结果与数据分析理学院2012级应用物理学1班王嘉楠 3012210018一、问题分析与讨论①如何检测针尖的好坏？讨论：将扫描隧道显微镜的针尖在样品的边缘处由外向内接近样品，如果针尖如【图一】所所示，将能够观测到1个电流峰值，此时说明针尖的性质良好；如果针尖如【图二】所示，将能够观测到3个电流峰值，此时说明针尖的性质不好。
【图一】【图一】1 |困难：针尖的运动速度非常缓慢，因此将针尖移动到样品边缘附近非常困难。
实际方法：通常通过经验来判断针尖的好坏。
②扫描隧道显微镜测量样品的局限性。
讨论：扫描隧道显微镜的工作原理决定了被测量样品必须具有较好的导电性。
解决方法：对于导电性较差的样品，通常先在样品表面镀上一层金属薄膜，然后再通过扫描隧道显微镜进行测量。
③扫描隧道显微镜测量的测量精度是否会受到泡利不相容原理的影响？讨论：扫描隧道显微镜通过隧道电流的原理进行样品测量，而电子是费米子，因此测量的精确度会受到泡利不相容原理的影响。
2 |二、实验结果3 |上两图即为扫描隧道显微镜在6μm×6μm的范围内对石墨表面的扫描测量结果及3D模拟图。
能够较为清晰地看到石墨的层状结构。
4 |三、实验数据5 |6 |7 |分别将软件的左右指针相互靠近，尽量接近于单层碳原子的尺度，以测量石墨两层之间的层间距。
通过以上三组测量数据，两层碳原子层间距的测量值分别为：d1=0.48706 nm d2=0.69000 nm d3=0.52765 nm对上三式求平均值，可以得到石墨两层分子之间的层间距平均值为：d=13(d1+d2+d3)=0.56824 nm四、实验结果分析讨论经过查阅资料可知，石墨的层间距的理论值为0.334nm，本实验的测量值相对于理论值偏大。
但是，《新型炭材料》期刊2008年6月第23卷第2期《自由态二维碳原子晶体——单层石墨烯》（杨全红等）一文中指出：“2007年，Meyer等人报道单层石墨烯片层可以在真空中或空气中自南地附着在微型金支架上，这些片层只有一个碳原子层厚度（0.35 nm），这一厚度仅为头发的20万分之一，但是它们却表现出长程的晶序。
扫描隧道显微镜试验
扫描隧道显微镜实验0730******* 材料科学系李旭晏摘要：本实验运用NanoFirst-1000型扫描隧道显微镜来观察一维及二维光栅样品，并探讨各参数即积分增益、比例增益和扫描角度对扫描图像的影响。
关键词：隧道效应扫描隧道显微镜针尖制备一维光栅二维光栅积分增益比例增益扫描角度一、实验原理1.隧道效应扫描隧道显微镜的原理就是基于量子力学中的隧道效应。
在经典物理中，当粒子的能量E小于前方势垒的高度V时，它是不可能穿越此势垒的，即透射系数为零。
但在量子力学的计算中，透射系数并不等于零，如图1。
也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这一现象就称为隧道效应。
其中，透射系数为：式中，E为粒子能量，V0为势垒高度，a为势垒宽度，m为粒子质量。
可见，随着势垒宽度a的增加，透射系数T是成指数衰减的。
这也就是宏观实验中为何观察不到隧道效应的原因。
而随着a的减小，透射系数T将会急剧增大，直到我们可以观察到隧道效应。
而扫描隧道显微镜正是应用了这一点。
若将针尖与样品表面作为两个电极，那么当它们之间的距离足够小（通常小于1nm）时，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，流向另一个电极。
穿越势垒的电子的定向移动就形成了所谓的隧道电流。
隧道电流的大小为：式中，Vb为加在针尖与样品之间的偏置电压，S为针尖与样品表面之间的距离，Φ为针尖与样品的平均功函数，A为一常系数，在真空条件下，A=1。
由上式可知，隧道电流I与针尖与样品表面之间的距离S是一一对应的。
通过隧道电流I的变化，便可以得出样品表面高低起伏的形貌信息。
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STM工作的基本原理。
2.STM工作模式STM共有两种工作模式，即恒高模式和恒流模式。
恒高模式，顾名思义，就是高度恒定，即针尖和样品的高度始终保持不变。
示意图如图2.随着样品表面的高低起伏，隧道电流的大小也将相应变化。
通过记录隧道电流的变化便可以得到样品的表面形貌信息。
《扫描隧道显微镜》课件
湿度的影响
湿度过高可能导致探针 针尖受潮，影响其与样 品之间的相互作用，进 而影响STM的成像质量 。
电磁噪声的影响
周围的电磁噪声可能干 扰STM的测量结果，如 电源波动、周围电子设 备的电磁辐射等。
06
结论
STM的重要性和影响
STM技术对表面科学和纳米科技的发展具有重要影响，推动了相关领域的研究和应 用。
STM技术能够提供原子级分辨率的表面结构信息，为材料科学、物理、化学等领域 的研究提供了有力支持。
STM技术的应用范围不断扩大，不仅局限于表面科学和纳米科技领域，还涉及到生 物医学、能源、环境等领域。
STM的未来发展方向
1
进一步提高STM的分辨率和灵敏度，探索更广泛 的表面结构和物性测量。
2
结合其他先进技术，如原子力显微镜（AFM）、 光电子能谱（UPS）等，实现更全面、深入的表 面结构和物性研究。
STM与其他显微技术的结合
STM与原子力显微镜（AFM）结合
通过同时获取STM和AFM信号，实现表面形貌和力的同时测量，提供更全面的表面信息。
STM与光电子能谱（UPS）结合
将STM与UPS相结合，研究表面电子结构和化学态，提供更深入的表面信息。
STM在未来的应用前景
新材料研究
利用STM研究新型材料表面结构， 探索其物理和化学性质，为新材料的 开发和应用提供支持。
这会影响其与样品之间的相互作用，进而影响STM的成像质量。
03
探针针尖的磨损
在测量过程中，探针针尖可能会与样品表面发生摩擦，导致针尖磨损，
从而影响其与样品之间的相互作用和STM的成像质量。
环境因素对STM的影响
温度的影响
温度的变化可能影响 STM的测量结果。温度 升高可能导致样品表面 的热涨落增大，影响 STM的成像效果。
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姓名：茹佳胜 学院：电气学院 学号：2007035053 班级：电气硕 91
一.实验目的
1. 2. 3. 4. 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。
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。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． 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
I ∝ Vb exp (−AФ S)
式中 Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数
1 2
Ф =
1 (Ф 1 + Ф 2 ) 2
Φ 1 和Φ 2 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。
1 2
4. 实验中隧道电流设定的大小意味着什么？ 答:
电流设定”的数值意味着恒电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。
恒电流模式：如图（a）所示
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 了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。 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。
五．实验结果和数据处理
高序石墨扫描图像：
相关参数表：
六．实验结论和误差分析
实验结论： 通过扫描隧道显微镜的命名出发了解了其基本原理， 从本质上理解了扫描隧道显微镜的 作用， 实验中在一步步的摸索中明白了每一步实验步骤的目的。 运用具有原子分辨率的实验 仪器观察了高序石墨的表面形貌，使我们有机会通过自己的努力获得原子排列图
有限. X 射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限 于对晶体或周期结构的样品进行研究． 与其他表面分析技术相比，STM 具有如下独特的优点： 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分别可达 0．1nm 和 0．01 nm，即可以分辨出单个原子．
二．实验原理
原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代， 但在漫长的岁月中， 原子还只 是假设而并非可观测到的客体. 人的眼睛不能直接观察到比 10-4m 更小的物体或物质的结 构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体， 但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到 10-7m 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分 辨率为 10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜 STEM）可以达 到原子级的分辨率——0．1nm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样 品制备技术和真空条件． 场离子显微镜 （FIM） 是一种能直接观察表面原子的研究装置， 但只能探测半径小于 100 nm 的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分
损坏针尖。 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 双击 STM 控制器，单击电源按钮，打开 STM 控制器开关。 双击电脑，打开 STM 控制软件。 打开“Z 高度”和“马达高级控制面板” 。 点击“连续进” ，找到扫描控制区。 使用“单步进” ，让 Z 高度电流稳定在-30 – 30V 之间。 关闭高级马达控制面板，点击“新建高度图像” 。 设置“高度控制”的显示范围为 1nm， “扫描控制面板”的扫描范围为 5nm。 点击“开始/停止扫描图像” ，即可扫出高序石墨的原子图谱。
2. 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。 扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。
基础．
1. 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 1)这个现象称为 隧道效应。
误差分析： 1. 仪器本身的系统误差。 2. 可能由于实验仪器对于隧道电流的分辨率问题导致形貌图和本身原子排列有偏差。 3. 在调节计算机软件相关参数时出现的偏差
七．思考题
1.扫描隧道显微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？ 答:
根据隧道电流
I ∝ Vb exp (−AФ S)
S 为针尖与样品距离，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。
1 2
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。
2.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？ 答：
恒高度模式：如图(b)所示
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。这种模式 通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。
3.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何影响？ 答:
根据公式
I ∝ Vb exp (−AФ S)
Vb 为起偏电压，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，形成隧 道电流，从而根据不同位置隧道电流和探针与物品距离的上述关系绘出表面三维形貌图。 只有在一定的条件下，隧道效应才会显著，根据上面的公式，由于仪器电流大小分辨率的限制，在针 尖偏压 Vb 较大的情况下，隧道电流改变比较明显，可以绘出更精细，分辨率更高的表面形貌图。
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、超一身地创、电化学反应过程中电极表 面变化的监测等。 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． 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
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 e h 2 V0
2m(v 0 −E)
由式(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。 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。 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 以及平均功函数Φ 有关：
恒高度模式：如图(b)所示
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。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。
三．实验仪器
STM 扫描隧道显微镜，STM 控制器，STM 控制软件
STM 扫描隧道显微镜
STM 控制器
STM 控制软件
四．实验操作方法
1. 2. 3. 4. 5. 打开软件。 单击鼠标右键弹出菜单，选择“开始实验” 。 单击鼠标右键，选择“操作 STM” 。 在样品承载台上单击鼠标左键，选择合适的样品(高序石墨)。 鼠标点击承载台下面的调节旋钮进行调节，让针尖尽量接近样品表面，注意不要
扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。
恒电流模式：如图（a）所示
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，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图 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。