STM扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜STM
液体中观察原子图象 下图所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶(111)表面的
2) 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．
3) 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．
式中，I表示隧道电流，Ф表示有效局部功函数，d表示样品 与针尖间的距离，m为电子质量，h为普朗克常数。 在典型条件下，Ф近似为4eV，k=10 nm-1 如果d减小0.1 nm，隧道电流I将增加一个数量级
隧穿电流和金属间距成指数关系,由此在距离比较 远的时候,几乎不存在隧穿电流,而距离靠近时,电流 增长极快 ，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距 非常敏感。
我们把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三 角架的形状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品 表面扫描的目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控 制探针与样品之间距离的目的。
常用的压电材料是钛酸锆酸铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)， 它是一种多晶陶瓷材料。由于掺杂含量的改变，将得到不同 性质的PZT材料。可以使1mV~1000V的电压信号转换成十 几分之一纳米到几微米的位移。
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STM
单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现 “选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。虽然这是一个 极具挑战性的目标，但现在已有一些激动人心的演示性的结果。在康奈 尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的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。同 时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特性等方法来确认和研 究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与Fe-Ag(110)系统成键(即CO分 子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe原子局域电子性质的体现。
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2.STM的原理
图是STM的基本原理 图，其主要构成有：顶部 直径约为50—100nm的极 细金属针尖(通常是金属钨 制的针尖)，用于三维扫描 的三个相互垂直的压电陶 瓷(Px，Py，Pz)，以及用 于扫描和电流反馈的控制 器(Controller)等。
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2.STM的原理
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。
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溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
4.STM的工作环境
溶液条件
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图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
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 原理
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学的隧穿效应，利用一根金属针尖作为探针，与样品表面形成两个电极。
当针尖与样品表面的距离非常接近（通常小于1nm）时，电子云重叠，并在它们之间施加电压，此时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。
隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系，因此当针尖沿物质表面扫描时，由于表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断改变，从而导致隧道电流不断变化。
这种电流变化反映了样品表面的原子级凹凸形态，将电流的这种变化图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。
扫描隧道显微镜具有超高的分辨率，横向分辨率达0.1nm，纵向分辨率达0.01nm，使人类第一次在实空间观测到样品表面的原子排布状态。
它对表面科学、纳米科学、生物医学等科学技术的研究和发展具有里程碑式的意义，被公认为上世纪八十年代世界十大科技成就之一。
扫描隧道显微镜的工作原理与应用
扫描隧道显微镜的工作原理与应用扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）是一种利用量子隧穿效应的高分辨率显微镜。
它采用的是一根极细的金属探头和样品之间的隧穿电流来获取样品表面的信息。
STM具有非常高的分辨率，能够在原子尺度下的样品表面进行观测和操纵，因此在材料科学、表面物理、纳米技术等领域有着广泛的应用。
一、工作原理STM的工作基于量子力学中的隧穿效应。
隧穿效应是一种粒子从一个区域超越到另一个区域的现象。
在STM中，金属探头和样品之间形成一个电势差，并使用一个反馈电路来保持电流恒定。
隧穿电流是通过探头和样品之间的隧穿效应产生的。
探头与样品之间的距离非常小，约为几个纳米，隧穿电流的大小取决于两者之间的距离。
当探头在样品表面上移动时，由于样品表面具有不同的高度和电性特征，因此隧穿电流的大小也会发生变化。
这种变化通过反馈电路测量并转换为高度和电性的信息，然后通过计算机处理并呈现出来。
样品表面的信息在计算机中显示为一个图像。
二、应用A.材料科学STM被广泛应用于材料科学领域，如表征材料表面和分析材料电子结构等。
在纳米材料研究中，STM可以检测材料中的特定原子和分子，并且可以通过组装单个原子或分子来设计新的材料。
B.表面物理STM是表面物理学中非常有用的工具。
它可以研究各种表面效应，例如表面扭转、重排和易于惯性传输的晶格振动模式。
此外，STM还可以用于表面缺陷和缺失等杂质的检测和定位。
C.纳米技术STM在纳米技术领域具有广泛应用。
纳米材料、纳米结构的制备和表征在纳米技术领域是非常重要的。
通过STM可以定量地观察单个原子和分子，这对于设计和制备纳米材料和纳米器件非常有帮助。
D.生物学STM可以在原子和分子的尺度上进行生物学实验。
在生物领域，STM可用于研究DNA分子的结构和功能，以及在膜结构中的蛋白质微区域中检测生物分子等。
E.电子学STM还可以用作电子学中的电极，例如调制电流分布、表征器件中的界面和自旋极化等方法。
扫描隧道显微镜原理
扫描隧道显微镜原理扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应进行成像的显微镜，它是由德国物理学家格尔德·宝尔和海因里希·罗尔夫·霍尔斯特于1981年发明的。
STM是一种非常重要的显微镜，它可以在原子尺度上观察表面的原子结构，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
本文将介绍扫描隧道显微镜的原理及其工作过程。
扫描隧道显微镜的原理是基于量子力学的隧穿效应。
当一个尖端探针靠近样品表面时，尖端探针和样品表面之间会存在一个微小的隧穿电流。
这个电流的大小和探针与样品之间的距离有关，当探针移动时，电流的大小也会发生变化。
通过测量这个隧穿电流的变化，可以得到样品表面的拓扑结构信息。
在STM中，尖端探针被放置在一个能够微小移动的臂上，可以在样品表面来回扫描。
当探针靠近样品表面时，由于隧穿效应，会产生隧穿电流。
探针和样品之间的距离非常小，通常在纳米尺度，这使得STM能够观察到原子尺度的表面结构。
通过控制探针的位置和测量隧穿电流的大小，可以得到样品表面的原子结构信息。
扫描隧道显微镜的工作过程可以简单描述为，首先，将尖端探针放置在样品表面附近，然后通过控制尖端探针的位置，使其在样品表面上来回扫描。
在扫描的过程中，测量隧穿电流的大小，并将这些数据转换成图像，就可以得到样品表面的拓扑结构信息。
通过对这些图像的分析，可以得到样品表面的原子结构、晶格结构等重要信息。
扫描隧道显微镜具有高分辨率、原子尺度的观测能力，可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它在材料科学、物理、化学等领域有着广泛的应用，可以帮助科学家们更深入地理解物质的性质和行为。
同时，随着技术的不断进步，STM的分辨率和稳定性也在不断提高，为科学研究提供了强大的工具。
总之，扫描隧道显微镜是一种基于量子力学的显微镜，利用隧穿效应可以在原子尺度上观察样品表面的结构。
它具有高分辨率、原子尺度的观测能力，被广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。
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(STM)
图9-4
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图9-5
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二、原子力显微镜的微悬臂及其变形的检测 方法
（一）微悬臂（力传感器） （二）微悬臂变形的检测方法
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（一）微悬臂（力传感器）
原子力显微镜所研究的力其数值很小。要实现力的高灵敏度测量，首 先要求力的感知件——微悬臂对微小力的变化具有足够高的灵敏度。
（1）弹性系数k值应在10 -2～10 2 N/m范围。极低的弹性系数 可满足极其灵敏地检测出零点几个nN
品表面之间的作用力，一般针尖曲率半径为30 nm
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（二）微悬臂变形的检测方法
原子力显微镜的图像是通过扫描时测量微悬臂受力后弯曲形变的程度 获得的，并利用Hooke定律来确定操作时的样品与针尖的作用力。
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三、原子力显微镜的成像模式
（一）接触成像模式 （二）非接触成像模式 （三）轻敲成像模式
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一、扫描隧道显微镜的基本原理
与光学显微镜和电子显微镜不同，STM不采用任何光学或电子透镜 成像，而是当尖锐金属探针在样品表面扫描时，利用针尖〖CD*2〗 样品间纳米间隙的量子隧道效应引起隧道电流与间隙大小呈指数关系， 获得原子级样品表面形貌特征图像，其基本原理如图9-1所示。
顶部有一直径约50～100 nm的极细金属探针（通常是金属钨制作 的针尖），功能是在其与样品互相作用时，可根据样品性质的不同 （如表面原子的几何结构和电子结构）产生变化的隧道电流。在扫描 隧道显微镜工作时，针尖与样品表面距离一般约为0.3～1.0 nm， 此时针尖和样品之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏压时， 电子就因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖）；金 属探针安置在三个相互垂直的压电陶瓷〖WTBX〗（P x、P y、 P z）架上，当在压电陶瓷器件上施加一定电压时，由于压电陶瓷 器件产生变形，便可驱动针尖在样品表面实现三维扫描；控制器是用 STM
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STM的原理
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：
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I Vb exp A 2 S
Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压ห้องสมุดไป่ตู้平均功函数 A 为常数，在真空条件下约等于1。
STM的原理
图是STM的基本原理图， 其主要构成有：顶部直径 约为50—100nm的极细金属 针尖(通常是金属钨制的针 尖)，用于三维扫描的三个 相互垂直的压电陶瓷(Px， Py，Pz)，以及用于扫描和 电流反馈的控制器 (Controller)等。
STM的原理
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。
谢谢观看
(a)
(b)
STM的工作环境
• 超高真空和室温条件
• 在超高真空的条件下，STM可以用来观 察所有半导体和金属样品表面的原子图。 在超高真空腔内，可以用多种方法将样 品表面清洁干净，如常用于金属表面清 洁处理的离子枪轰击和常用于半导体表 面清洁处理的直接电流预热处理等。在 超高真空中，清洁处理后的样品可以保 持长时间干净，不被氧化。对样品表面 原子结构进行重构后，就可以用STM观 察样品表面的原子结构图像。
Φ为物质表面的平均功函数
S是针尖和样品之间距离
I是隧道电流
2.STM的工作模式
• 恒流模式 • x,y方向起着扫描作用，而
Z方向具有一套反馈系统， 初始的隧道电流为一恒定 值，当样品表面凸起时， 针尖就会后退，以保持隧 道电流的值不变；当样品 表面凹进时，反馈系统将 使针尖向前移动，计算机 记录了针尖上下移动的轨 迹，合成起来，就可给出 样品表面的三维行貌。
STM的工作模式
• 恒高模式 • x,y方向仍起着扫描的
作用，而Z方向则保持 水平高度不变，由于隧 道电流随距离有着明显 的变化，只要记录电流 变化的曲线，就可以给 出高度的变化
3.STM的工作环境
• 大气和室温条件
• 在大气的条件下，STM可以用来观察无氧化层的干净样品表面。图(a)和 (b)分别是在大气条件下用STM得到的Au (111) (金)2nm×2nm 和MS2(二 硫化钼) 3nm×3nm表面的原子图像。对于在大气中容易被氧化的半导体 或金属材料样品，将不可能在大气中用STM得到它们的表面原子结构图 像，而超高真空的环境是必要的。
• 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。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。通过外加一电场，改 变分子的形状，但却不破坏它的化学键。
5.STM的应用
• 图是Si(111)7x 7(硅)表面的原子图像。其 中，它的扫描偏压为+2V；扫描电流为 0.6nA。
STM的工作环境
• 超高真空和高温条件
• STM可以在高温的条件下工作，这 对于观察半导体和金属等材料表面 的高温相变是非常重要的。高温工 作的STM必须具备十分良好的温度 补偿功能，否则，样品表面的温度 漂移将使我们无法看到相同区域的 原子表面结构。
• 单分子化学反应已经成为现实
• 单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能 实现“选键化学”──对分子内的化学键进行选择性的加工。在 康奈尔大学Lee和Ho的实验中，STM被用来控制单个的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。同时，他们还通过利用STM研究C-O键的伸缩振动特 性等方法来确认和研究产物分子。他们发现CO以一定的倾角与FeAg(110)系统成键(即CO分子倾斜地立在Fe原子上)，这被看成是Fe 原子局域电子性质的体现。
溶液中固/液界面的原子和分子化学反应示意图
STM的工作环境
• 溶液条件
图是有机分子苯在Rh(111)—3x3(铑)表面 上的单层吸附结果。实验时，在0.01M(摩 尔)的HF(氢氟酸)溶液里含有0.25mM (毫 摩尔)浓度的有机分子苯。
图是另一种有机分子卟啉在I-Au(111)(碘-金) 表面上的单层吸附结果。实验时，在0.1M 的HClO4(高氯酸)溶液里含有0.57uM(微摩 尔)浓度的有机分子卟啉。
4.STM的应用
• “看见”了以前所看不到的东西
• STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于 0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点 几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分 子状态清晰可见。
4.STM的应用
• 实现了单原子和单分子操纵
• 低温时，样品的原子表面结构可 以保持非常稳定的状态。图是一 组氯45低冷mi却SnT扫M到描图约一片15幅。O图K实的片验温。时度从，，图样每中品隔可被以液 发现，样品的原子表面结构十分 稳定，从右到左的热飘移仅为每 小时一个原子左右(0.3nm左右)。
STM的工作环境
• 溶液条件
• 化学反应大多是在溶液里进行的。图是化学溶液中液/固界面上原子和分子之 间发生化学反应的示意。为了探讨这种发生在液/固界面上原子和分子尺度的 反应机理，可以工作在溶液中的STM就成为一个极为重要的观察工具。近年 来，专用于溶液中的高分辨STM已经研制成功，并得到了极大的应用。
• 图是在860OC时用STM实时地观察 S(111)表面上形成7x7结构的重构过 程。从图中可以看到，大部分7x7结 构已经形成，但是在图的右上角区 域尚未完成表面原子的重构。
STM的工作环境
• 超高真空和低温条件
• 温度对于材料表面上原子和分子 的稳定性是一个非常重要的条件。 例如，在室温时，金属材料表面 上的金属原子大多不稳定，而吸 附在样品表面上的C60分子更是始 终在旋转着，无法稳定。同时， 材料的电子特性研究在很多情况 下也要求低温的条件。
• 一个更为直观的例子是由Park等人完成的，他们将碘代苯分子吸 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。
STM局限性
1、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。 2、STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对 于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根 本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由 于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实 表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以 弥补STM这方面的不足。 3、如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素； 针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象 的分辨率，而且还关系到电子结构的测量。
Logo
STM扫描隧道显微镜
讲解人：
STM动态工作图
STM扫描形貌图
1.STM的原理
STM的原理
• 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Vo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。