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。
5
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。
6
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。
16
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
17
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(STM)
图9-4
返回
图9-5
返回
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
返回
（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
下一页 返回
（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。
1 2 3 4
上一页 返回
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
返回
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
扫描隧道显微镜
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
3、工作模式
根据针尖和样品的相对运动方式不同，工作模式分为恒电流
模式和恒高模式。
一、STM结构及工作原理
恒高模式是在扫描过程中切断反馈回路保持针尖的高度不变，
记录隧道电流的大小值。
恒高模式适于观察表面起伏较小的样品，一般不能用于观察
表面起伏大于1 nm的样品。在恒高模式下，STM可进行快速扫描，
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。
那么什么是隧道效应？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。
一、STM结构及工作原理
由于隧道效应，金属中电子不完全局
限于金属表面之内，电子云密度并不在表
通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表面的
原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构。
二、STM特点
配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到
有关表面局域电子结构的信息。
二、STM特点
STM技术局限性：
不能探测深层结构信息。
扫描范围小。
无氧化层覆盖。
一、STM结构及工作原理
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法 机械成型法 制备方法 聚焦离子束铣削法 电子束诱导化学气相沉积法 场致蒸发法
一、STM结构及工作原理
电化学腐蚀法
多用钨丝作针尖，所得到针尖直径可
小于100Ȧ。
以不锈钢或铂为阴极，以钨丝为阳极，
安装在一个高度可调节测微仪上，两极
流，便可获得隧道电流随偏压(I-Vb或dI/dVb-Vb)变化曲线 ，即扫
扫描隧道显微镜
图中针尖与样品间隔 占约lnm，针尖与在X、 Y和Z三个方向上互成 直角的三根压电陶瓷 相连。电压改变时， 压电陶瓷即伸长或收 缩，其灵敏度或分辨 率可达10-2nm。
改变加在X和Y方向压
电陶瓷的电压，针尖 即可在XY平面上扫描； 改变Z方向上的电压， 针 尖 即 可 在 纵 向 (Z 方 向)升降使针尖与样品 间距离改变。
恒流工作模式可用于 起伏较大的表面，是 最常用的模式。恒高 模式则是在扫描时保 持针尖的高度不变 (间距S在变)，观测 隧道电流的变化与X 和Y位置的关系。
这也反映出表面形 貌的变化，这种模 式可以扫描较快， 但对起伏较大的表 面，扫描时针尖易 与表面相碰使针尖 损坏。
二、STM仪器
STM仪器为了实现原子级分辨率，需要解决 诸如隔绝振动、机械设计、电路及样品制备中 的一系列技术关键。
但根据量子力学，电子 具有波动性，电子能够以 一定几率穿过势垒，这就 是所谓的隧道效应。
例如，当一个金属针尖 和一个导电样品很接近时 (相距约lnm)，尽管两者间 仍是一很薄的绝缘层，有 较高的势垒，但两者波函 数已有一定程度的交叠。
把针尖和样品作为两个 电极，加上微小的电压， 电子即可穿过其间的势垒 产生所谓隧道电流。
可使针尖被驱动，也可使样品被驱动，Z方向 的伸缩范围约μm，分辨率达10-3nm；X-Y方 向的扫描范围至少μm，精度达10-2nm。
为了能方便地换样品，换样品后能快速
使针尖和样品接近而又不相互碰撞，需要 粗调装置，粗调到Z压电陶瓷能用电压调 节的区域(一般几十纳米)，然后通过Z压 电陶瓷细调到产生所需隧道电流的状态 (约 l nm)。
还可用高定向热解石墨(HOPG)及MoS2或单 晶金作为载体，它们表面平整度很好，可以载 负生物或有机分子进行研究。在空气中则多用 这类载体，载负某些分子进行研究。
扫描隧道显微镜(STM)PPT课件
Scanning Tunneling Microscope
一、简介 二、基本原理 三、STM的结构及关键技术 四、应用
1．表面形貌测量及分辨率 2．逸出功的测量 3. 扫描隧道谱 (STS)
1
五、原子力显微镜（AFM）
1．特点 2．工作原理 3．结构及关键技术
Δ 力传感器 Δ 微悬臂位移检测法 4．应用例举
如s↗ → I↘→ Pz上的电压↗→ Pz伸长 → s↘。 VPz(VPx,VPy)曲线为样品表面三维轮廓线。
9
△ XYZ位移器（样品位置细调〕 微小距离移动的精确控制
△ 样品粗调 使针尖与表面的距离，从光学可觉察的距离 (10- 100μm) 调整到100 Å 量级 － Louse 结构 － 精细螺旋机构
△ 防震系统分析 － 使由振动引起的隧道距离变化 0.001 nm (振动：针对重复性、连续的，通常频率在 1－100Hz)
10
四、扫描隧道显微镜的应用
1．表面形貌测量及其分辨率 假设样品表面存在陡变台阶，由于针尖半径R有 一定尺寸，针尖的轨迹将有一过渡区δ。δ与 R、 s 和 ko 有如下近似关系：
ΔI/Δs = 2Iko 若I保持不变 则：dI/ds ∝ ko∝φ1/2 工作方式： 扫描中保持I不变，使s有一交流调制， dI/ds 随x,y变化。dI/ds(x,y)平方后即为逸出功象。
3．扫描隧道谱(STS)
在表面的某个位置作I-V 或dI/dV－V，得有特征峰
的STS。在特征峰电压处，保持平均电流不变，使
例: 微杠杆由25μm金箔作成，重量10－10kg fd = 2kHz k = 2×10-2 N/m
因 STM 测的Δz可小至10－3－10－5 nm 则有：F = kΔz
扫描隧道显微镜
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
样品
隧道电流 i A
探针
U
d
B
i Ue A d A — 常量
— 样品表面平均势
垒高度（~ eV）
。 d ~ 1nm（ 10A ）
d 变 i 变，反映表面情况
d 变 ~ 0.1nm i 变几十倍，非常灵 敏。竖直分辨本领可达约10 2 nm
横向分辨本领与探针、样品材料及 绝缘物有关，在真空中可达 0. 2 nm。
技术关键：
1. 消震：多级弹簧，底部铜盘涡流阻尼。 2. 探针尖加工：电化学腐蚀，强电场去污，
针尖只有1~2个原子！ 3. 驱动和到位：利用压电效应的逆效应 —
电致伸缩，一步步扫描，扫描一步 0.04nm，扫描1(m)2 约0.7s。
4. 反馈：保持 i 不变 d 不变（不撞坏针尖）
显示器
1991年2月IBM的 “原子书法”小组又 创造出“分子绘画” 艺术 — “CO 小人”
图中每个白团是单个 CO分子竖在铂片表面 上的图象，上端为氧 原子 CO分子的间距： 0.5 nm “分子人”身 高：5 nm堪称世界上 最小的“小人图”
48个Fe原子形成“量子围栏”，围 栏中的电子形成驻波。 Fe原子间距： 0.95 nm，圆圈平均半径：7.13 nm
压电 控制
加电压 反馈传感器
隧道 电流
参考信号
扫描隧道显微镜示意图
中国科学院化学研究所研制的CST图象
用原子操纵写出的“100”和“中国”
1991年恩格勒等用STM在镍单晶表面逐个移动 氙原子，拼成了字母IBM，每个字母长5纳米
扫描隧道显微镜（STM）
（Scanning Tunneling Microscopy）
扫描隧道电子显微镜
应用与展望
• 扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了 一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在 单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应 用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳 米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的
STM的工作模式
• 尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下 述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的 机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子 系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方 式：恒流模式、恒高模式。
STM的工作模式
恒电流模式
• 利用一套电子反馈线路控制隧道电流，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，即是使针尖沿 x、y 两个 方向作二维运动。由于要控制隧道电流不 变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保 持不变，因而针尖就会随着样品表面的高 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。这就是说，扫描隧道 电子显微镜得到了样品表面的三维立体信 息。这种工作方式获取图像信息全面，显 微图象质量高，应用广泛。
?3扫描隧道显微镜可在真空常压空气甚至溶液中探测物质的结构它的优点是三态固态液态和气态物质均可进行观察而普通电镜只能观察制作好的固体标本由于没有高能电子束对表面没有破坏作用如辐射热损伤等所以能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究样品不会受到损伤而保持完好
扫描隧道电子显微镜
SCANNING TUNNELING MICROSCOP 简 称 STM 发明者 格尔德· 宾宁
隧道针尖
三维扫描控制器
减震系统
电子学控制系统
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
扫描隧道显微镜
摘要：作为研究物质微观结构的有力工具，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）与其它种类的显微镜相比，它的分辨本领却可以达到10-10 米。
以量子力学为基础的扫描隧道显微镜，可以在大气、液体、真空状态下工作，可以在4.2 K 到1000 K之间的温度下工作；并且对样品也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面；特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合，应用更加有效、灵活.因此，扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用，并取得了一系列重要的研究成果。
关键词：扫描隧道显微镜；隧道效应
1 扫描隧道显微镜（STM）简介
在探索微观世界的过程中，人类就通过不懈努力希望观测到物质的微观世界。
17世纪,世界上第一台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始人类使用仪器研究微观世界的新时代[1]。
但是，由于受光波波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10-6米—10-7米。
20 世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨本领达到了10-8米。
有了电子显微镜，比细胞小的多的病毒也露出了原形.增强了人们观察微观世界的能力。
1982 年，格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔
（H ．Rohrer ）在IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope ）。
两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986 年诺贝尔物理学奖[2]。
利用量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜， 它的分辨本领甚至达到了10-10米。
2 扫描隧道显微镜（STM ）的原理
根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流.扫描隧道显微镜（STM ）就是利用这一原理制成的.将被研究的物质（必须是导体）表面和探针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于1nm 左右时，在外加电压的作用下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流I.这个电流满足如下关系：
)exp(2/1S l KV I φ-=
其中，K ，l 是常数；V 是施加在探针和样品之间的电压；Φ是探针和样品的平均功函数， 它和探针、样品的材料功函数有关,Φ≈Φ1+Φ2；S 是探针和样品间的距离。
通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品， 它们的平均功函数Φ是一个定值，那么隧道电流I 是电压V 和距离S 的一个函数。
探针和样品表面的距离S 对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S 的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。
因此， 保持电压V 的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面X-Y 方向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间距
离S（1nm左右），使探针位于样品表面某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电流的强弱，用不同的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）。
如图1 所示，给压电陶瓷施加一个偏向电压，压电陶瓷将带动探针在样品表面沿X方向（或Y 方向）做微小定向移动。
当移动的探针遇到原子时，探针和样品间的距离S减小，电流I明显增加；当移动的探针位于相邻原子的间隙时，探针和样品间的距离S增加，电流I明显减小。
最后，随着探针在样品表面的逐行的扫描，微机会将探针在不同位置时的电流记录下来，并用不同的颜色加以区分。
这样，我们就得到了一张反映样品表面的不同位置，不同颜色的图像。
而这个图像恰恰反映了样品表面的微观结构。
如图2 所示，通过这个图像，我们可以得到样品表面原子状态的有关信息。
图1 原理示意图
图2 石墨样品表面微观结构
3 扫描隧道显微镜（STM）的应用
对于光学显微镜而言，光的衍射现象，导致小于光的波长的一半的细节在显微镜下很难分辨.而利用量子力学中隧道效应制成的扫描隧道显微镜(STM)却具有更强的分辨能力，扫描隧道显微镜的原理使它在观测物质表面微观结构方面成为非常有效的工具。
扫描隧道显微镜的优点是很显见的：（1）扫描隧道显微镜的分辨本领高，可以达到10-10米；（2）扫描隧道显微镜可以对物质微观结构进行无损探测，避免样品受到破坏或者样品性状发生变化；（3）可以利用扫描隧道显微镜实现单原子的移动和提取操纵。
通过扫描隧道显微镜，我们可以直观地看到样品表面的微观结构，进而分析样品表面的化学和物理性质。
例如：利用扫描隧道显微镜，生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等。
在扫描隧道显微镜问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。
在化学和生物学方面：通过放置在超高真空中扫描隧道显微镜，可以观测固体表面金属原子的吸附结构。
在化学各学科的研究方向中，扫描隧道显微镜在电化学领域也得到了广泛的应用，并且制成了适合研究电化学领域的扫描隧道显微镜。
在研究有机分子方面，利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像，可以观察到有机分子的3维结构。
基于此，在生物学领域中，观察DNA、重组DNA 及HPI- 蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测。
在纳米材料加工领域的应用：纳米材料是指，材料基本结构单元至少有
一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm)，并由此具有某些新特性的材料。
对于纳米材料的制备，是当今社会研究的一个热点问题。
现今，纳米材料的制备方法主要有三种：（1）惰性气体下蒸发凝聚法；（2）化学方法；（3）物理气相法和化学沉积法的综合方法。
人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为。
使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置。
如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间，那么在探针和样品间产生交替变化的电场.强电场的蒸发电场的蒸发作用，使样品表面的原子可以被吸附到针尖上，并且使单原子可以随针尖移动，沉积。
通过对单原子的控制，人们可以制作大容量存储器.随着科学技术的不断发展，扫描隧道显微镜（STM）作为观测微观物质表面结构和操控单原子的有力工具，必将起到其重要的作用，并在此过程中得到长足的发展。
参考文献
[1] 程舒雯.扫描隧道显微镜性能优化及实用化研究[D].浙江大学,2003.
[2] 张振宇,李鸿琦.基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究[D].天津大学,2005.。