扫描隧道显微镜的原理及应用
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STM的缺点: • 有时分辨率差 • 只能检测导体和部分半导体。 • 工作条件受限制，如不能振动，探针材料 可选择性低。
1 原子力显微镜(AFM) Atomic Force Microscope
原理：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的 弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品 表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根 据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就 能间接获得样品表面的形貌图 相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体
扫描隧道显微镜的原理和应用
STM历史意义 扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人 类对微观世界观察的大门，使得人类在纳 米尺度上研究单一原子以及单一分子的反 应成为可能。
STM前的显微镜
• 光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观 察细胞. • 电子显微镜(德国科学家Ernst Ruska和 Max Knoll发明),可以观察到比细胞更小的 病毒.
中国科技大学的科学家利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子 “捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个 C60分子上方。这时， 在针尖与衬底上的 C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定 的具有负微分电导效应的量子隧穿结构
3 7nm长的DNAwenku.baidu.com子镊子
三 在STM基础上发展起来的各种新 型显微镜
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
光学显微镜
电子显微镜
光学显微镜和电子显微镜的缺陷
• 光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. • 电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低 速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微 镜很少能对表面结构有所揭示.
总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表 面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.
4．在分子水平上构造分子器件
“从上到下”方法到“从下到上”方法的变化。
相关研究成果:
1 C60单分子开关
利用STM针尖压迫C60单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的 结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来 的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力”开关。
2 负微分电导
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 2 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p 有关，其关系为 I∝Uexp[-A(ps)1/2] ，式中 A 为常量。如果s以0.1nm为单 位，p以 eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝ Uexp[-(ps)1/2] 。
STM的工作方式
恒流模式
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
• Gerd Bining ， Heinrich Rohrer和Ernst Ruska荣获 1986年的诺贝尔物理奖
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。
STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的 电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原 子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验
2．实现了单原子和单分子操纵
单原子或单分子操纵方式： 1 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间 的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面 发生横向移动，具体又可分为“牵引”、 “滑动”、推动”三种方式；
STM的发明
• 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 篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体 的隧道效应来探测物体表面的想法. • 结果成功了!
3弹道电子发射显微镜（BEEM） Ballistic Electron Emission Miroscope
按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时，由于探针的电势场高于样品， 探针会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量 由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达 下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了 许多有关界面的信息，因此BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。
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。
2 磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) Magnetic Force Microscope Electrostatic Force Microscope
• 由于AFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之 间存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取抬起 模式，即得到了MFM和EFM。
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。 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。
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。
STM的结构
4 光子扫描隧道显微镜（PSTM） Photonic Scanning Tunneling Miroscope
PSTM的原现和工作方式在许多方面和 STM相似。STM利用电子隧道效应，而 PSTM则是利用光子隧道效应。
课堂练习(2)
在纳米科技的发展史中,下列年份发生哪些重 大事件. 1959年;1974年;1982年;1984年
1 原子力显微镜(AFM) Atomic Force Microscope
原理：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的 弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品 表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根 据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就 能间接获得样品表面的形貌图 相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体
扫描隧道显微镜的原理和应用
STM历史意义 扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人 类对微观世界观察的大门，使得人类在纳 米尺度上研究单一原子以及单一分子的反 应成为可能。
STM前的显微镜
• 光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观 察细胞. • 电子显微镜(德国科学家Ernst Ruska和 Max Knoll发明),可以观察到比细胞更小的 病毒.
中国科技大学的科学家利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子 “捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个 C60分子上方。这时， 在针尖与衬底上的 C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定 的具有负微分电导效应的量子隧穿结构
3 7nm长的DNAwenku.baidu.com子镊子
三 在STM基础上发展起来的各种新 型显微镜
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
光学显微镜
电子显微镜
光学显微镜和电子显微镜的缺陷
• 光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. • 电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低 速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微 镜很少能对表面结构有所揭示.
总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表 面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.
4．在分子水平上构造分子器件
“从上到下”方法到“从下到上”方法的变化。
相关研究成果:
1 C60单分子开关
利用STM针尖压迫C60单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的 结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来 的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力”开关。
2 负微分电导
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 2 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p 有关，其关系为 I∝Uexp[-A(ps)1/2] ，式中 A 为常量。如果s以0.1nm为单 位，p以 eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝ Uexp[-(ps)1/2] 。
STM的工作方式
恒流模式
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
• Gerd Bining ， Heinrich Rohrer和Ernst Ruska荣获 1986年的诺贝尔物理奖
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。
STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的 电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原 子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验
2．实现了单原子和单分子操纵
单原子或单分子操纵方式： 1 利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间 的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面 发生横向移动，具体又可分为“牵引”、 “滑动”、推动”三种方式；
STM的发明
• 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 篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体 的隧道效应来探测物体表面的想法. • 结果成功了!
3弹道电子发射显微镜（BEEM） Ballistic Electron Emission Miroscope
按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时，由于探针的电势场高于样品， 探针会向样品发射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量 由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达 下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了 许多有关界面的信息，因此BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。
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。
2 磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM) Magnetic Force Microscope Electrostatic Force Microscope
• 由于AFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之 间存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取抬起 模式，即得到了MFM和EFM。
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。 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。
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。
STM的结构
4 光子扫描隧道显微镜（PSTM） Photonic Scanning Tunneling Miroscope
PSTM的原现和工作方式在许多方面和 STM相似。STM利用电子隧道效应，而 PSTM则是利用光子隧道效应。
课堂练习(2)
在纳米科技的发展史中,下列年份发生哪些重 大事件. 1959年;1974年;1982年;1984年