扫描隧道显微镜（ STM ）

微观世界的探索 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。

第一代为光学显微镜

1830 年代后期为M.Schleide 和 T.Schmann 所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具 .

第二代为电子显微镜

20 世纪三十年代早期卢斯卡（ E.Ruska ）发明了电子显微镜，使人类能”看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。

第三代为扫描探针显微镜 也可简称为纳米显微镜。1981 年比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜（ STM ），使人类实现了观察单个原子的原望； 1985 年比尼格应奎特（ C.F.Quate ）发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（ AFM ），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（ SPM ）系列。

三种观察原子的方法比较

  TEM X— 衍射 STM/AFM

空间分辨率 1--10Ǻ 1 Ǻ 1 Ǻ （ Z ： 0.1 Ǻ ）

样品制备测量条件

超薄切片真空 结晶样品 mg级量

近自然、液体μg--ng

结构信息 2 维 平均结构参数，

三维内部结构

单个分子结构、

局域结构、表面三维结构图像 直观 拟合、重构 真实、直观

三代显微镜的观察范围及典型物体

用扫描隧道显微镜进行光栅观察

实验目的 1 ）了解扫描隧道显微镜的结构和原理 2 ）观察量子力学中的隧道效应 3 ）掌握隧道扫描显微镜的基本操作和调试过程， 观测到清晰的一维光栅图象 4 ）学习使用计算机软件处理原始数据图像

扫描隧道显微镜（ STM ）是如何工作的？ 工作原理——量子力学的隧道效应

两个平板导体间的隧道效应实验装置稍加改变即成为 STM 的雏形

两个平板导体间的隧道效应实验装置稍加改变即成为 STM 的雏形

Z<1nm IT V·e∝ -K

0Z

Z ：间隔距离V ：偏压

STM 的工作原理是电子的隧道贯穿，电子云占据在样品和探针尖之间（图 1 ）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，被 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 2 ）。探针尖即以这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。使针尖以一系列平行线段的方式扫描，使可获得高分辨率的三维表面图像。

（图 1 ） STM 结构及原理（电子云概念）

（图 2 ）隧道电流的变化曲线

Ro 与样品表面相关的参数；∆Z 有 0.1nm 的变化；∆ IT 即有数量级的变化

隧道电流的变化曲线

实验仪器及用品： AJ-Ⅰ 型 STM ，刃口刚性较好好的剪刀，铂铱合金丝，镊子，丙酮，量杯，脱脂棉，光栅样品

实验步骤： 1 ）光栅样品准备， STM 针尖制备，安装针尖和样品；2 ）逼近针尖到样品表面、调节针尖和扫描管至最佳工作状态 3 ）观察量子力学中的隧道电流效应和特性4 ）扫描光栅样品并对扫描图像进行处理

针尖逼近到样品表面

第一步：粗调螺旋头调节

第二步：微型马达调节

观察量子力学中的隧道电流效应和特性

STM 扫描图像处理

光栅三维图像

实验结果和讨论 应能清晰地得到光栅图象。请根据实验结果仔细分析：实验过程中存在那些不足之处？如何改进？有何建议和启发。

思考题： 1 ） STM 是如何测得样品的表形貌？2 ）如何用 STM 测出光栅的周期结构？