扫描隧道显微镜文案
扫描隧道显微镜 - 吉林大学物理实验教学中心27页PPT
扫描隧道显微镜 - 吉林大学 物理实验教学中心
31、别人笑我太疯癫，我笑他人看不 穿。(名 言网) 32、我不想听失意者的量避免 绝望， 辛勤耕 耘，忍 受苦楚 。我一 试再试 ，争取 每天的 成功， 避免以 失败收 常在别 人停滞 不前时 ，我继 续拼搏 。
33、如果惧怕前面跌宕的山岩，生命 就永远 只能是 死水一 潭。 34、当你眼泪忍不住要流出来的时候 ，睁大 眼睛， 千万别 眨眼!你会看到 世界由 清晰变 模糊的 全过程 ，心会 在你泪 水落下 的那一 刻变得 清澈明 晰。盐 。注定 要融化 的，也 许是用 眼泪的 方式。
35、不要以为自己成功一次就可以了 ，也不 要以为 过去的 光荣可 以被永 远肯定 。
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
扫描隧道显微镜
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。
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你所需要的是更清晰的视线，更深入的观察世界吗？那么，来体验一场令人惊叹的显微镜实验吧！
穿越细胞的壮丽之旅，揭开微观世界的神秘面纱。
当你凝视着显微镜镜头下的样品时，平凡的事物将发现无尽的奇妙。
首先，让我们进入细胞的世界。
你会被眼前所见的细胞构造所震撼。
细胞膜、细胞质、细胞核……每个细胞都是一个微小的宇宙，拥有自己的生命活动。
然后，让我们深入研究细胞器。
在显微镜的帮助下，细胞器的神秘运作将会揭开。
你将看到粗面内质网将蛋白质转运至目的地，线粒体在无声中燃烧能量，高尔基体分泌物质，而溶酶体则扮演着“废物处理站”的重要角色。
接下来，我们将观察微生物的世界。
放大菌落，放眼望去，仿佛置身于一个巨大的城市。
微生物如此微小，却是地球上最伟大的生命力之一。
通过显微镜的放大，你能更清晰地看到细菌的形态、结构和移动方式。
最后，我们展望到显微镜在其他领域的应用。
药学、生物学、材料科学、地质学……每个领域都因显微镜的存在而变得更加深入且有趣。
它帮助解决了许多难题，推动着科学的进步。
在这段丰富多彩的显微镜实验中，你将逐渐从宏观世界转向微观世界，并探索未知的领域。
通过显微镜，你将对微小事物产
生更深的兴趣，并开启一段不可思议的科学之旅。
走进显微镜的世界，让我们一起领略无尽的微观宇宙吧！。
扫描隧道显微镜(CSTM)
(5)配合扫描隧道谱STS (Scanning Tun-neling Spectroscopy)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。 （6）能真实地反映材料表面的三维图像。因此， 可在微米度域至纳米度域测量材料断裂表面的粗 糙度、晶粒大小、表面面积和分形维数以及研究 相变、材料断裂的原过程等。
2. 3扫描隧道谱(STS )工作原理 STS有以下几种工作模式: (1)恒定电流模式:最简单的得到谱信息 的方式便是比较在不同偏压下得到的恒定 电流的形貌像。为了准确定位，两幅图像 的数据应该同时采集。如果要得到更多的 信息，则可以在保持电流恒定的条件下测 量电导dl /dV，作为偏压的函数。这种模 式强调的是电子态的空间分布。 (2)恒定阻抗模式:在改变偏压的同时保 持隧道阻抗的恒定，利用锁相放大器测量 电导。由于恒定隧道阻抗意味着针尖和样 品间距儿乎是恒定的(除了零偏压处)，这种 模式在金属表面上能得到很好的结果，但 在半导体表面由于禁带的存在而不适用。
(4)可变间距模式:恒定间距模式下工作，当偏 压较大时，电流可能会变得很大，以致于超出 模数转换器(A/D)或电流放大器的范围。可变 间距模式通过以下两条途径解决了这个问题: 一是在不同的距离测量I (V)，然后利用I与针 尖和样品S之间的简单的指数关系把它们胶合 一起。其二是在测量I(V)的同时，在陶瓷上加 三角波扫描电压。 (5)恒定平均电流模式:在针尖上加高频调制偏 压，将电流信号进行低通滤波后，再送回反馈 回路来控制针尖的高度，而将未经滤波的信号 送到计算机得到I。
4. 3样品的制备技术与表面防护 为获得真实的、高质量的STM图像，必须制备出 清洁度极高，具有原子级光洁度的样品，所以STM 对样品有极高的要求。对于不同材料的样品，制备 和处理方法都不同。 如： 金属样品的制备:这类样品要求有极高的清洁度、光 洁度和无氧化。通常采用如下方法进行处理：
扫描隧道显微镜_2022年学习资料
1990年，IBM公司的科学-家展示了一项令世人瞠目结-舌的成果，他们在金属镍表-面用35个惰性气体氙原子 组成“IBM"三个英文字-母。-这是中国科学院化学所的科-技人员利用纳米加工技术在-石墨表面通过搬迁碳原子 -绘制出的世界上最小的中国-地图。
·二实验原理-1.隧道电流-扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。隧道效应-是微观粒子具有波动 所产生的。由量子力学可知当一粒子进入一-势垒中，势垒的高度fo比粒子能量E大时，粒子穿过势垒出现在势垒-另 边的几率p2不为零，如图9-1所示。如果两个金属电极用一非-常薄的绝缘层隔开，在极板上施加电压VT,电子则 穿过绝缘层由-负电极进入正电极。这称为隧道效应，此时电流密度为：-exp.-=-1-1
三扫描隧道显微镜的结构-般说来隧道扫描显微镜可以分为三大部分：隧道显微镜-主体、控制电路、计算机控制（测量 件及数据处理软件）-。-.三维扫描控制器-隧道显微镜主体包括针尖（或样品）的平面扫描机构、样-品与针尖间距 控制调节机构、系统与外界振动等的隔离装置-世界各国实验室发展了有各自特色的STM,其中比较常用的扫-描机构 ,V,Z三维细调是压电陶瓷扫描管或压电陶瓷杆组成-的三维互相垂直的位移器。-三角撑-陶瓷管-e
a-B扫描隧道显微镜
石墨晶体具有层状结构，层间距离为0.335nm,-相临-两层之间原子并不一一对应，层分布为AB型，其中a, 代-表表面层原子，ā'，β 代表次表面层原子。a类原子的正下-方有最近邻下层的原子与之相临；β 类原子的正下方 有-最近邻下层的原子与之相临。层内原子成六边形排布，层-内最近原子间距离为0.142nm。层内a类（β 类） 子间-最近距离为0.246nm。石墨中每个C原子两个2S与一个2P-电子发生SP2杂化，每个原子的三个电子 别与相临最近-的原子电子形成三个键角为120的C-C单键。层内所有未-杂化电子充作离域电子从而形成贯穿全层 多原子大键。-σ 键使C原子局域电子态密度分布具有三重对称性，即-从理论上分析石墨表面STM图像应如下图所示
扫描隧道显微镜
STM工作原理
隧道效应
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。
"... I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics"
Richard P. Feynman
In classical physics e flows are not possible without a
STM应用
扫描探针显微镜在光盘、磁盘的表面结构分析中 也获得了广泛的应用。
此外，扫描探针显微镜还可以用于修整材料缺陷， 改变材料特性，或是修整电子器件，从而使材料 和电子器件的特性达到最佳化。 美国能源部实验室的科学家卡兹墨斯基借助于原 子加工显微镜在材料表面掺杂后，N型材变成了P 型材料
STM应用
原子操纵 扫描探针显微镜所提供的单个原子、分子的操纵手段还可 能导致原子级的计算机开关器件的诞生。 相当方便面地移走材料表面的某一种原子和搬来另一种原 子，从而形成一种新材料。这一切在数分种内就可以完成。 这种显微镜最激动人心的用途就是用于制造"原子尺寸"的 计算机和毫微芯片。
合成橡胶缓冲垫
金属板
橡胶垫
弹簧悬挂
STM的应用微电子学研究
微电子器件的制造过程中
能在不接触表面的情况下绘制出电子元件 表面图象，不论这些元件的组成成份如何， 这对监督和改进亚微米集成电路的工艺具 有突出的作用。
具有不损伤器件的特点以及高的空间分辨 率
STM应用
基于扫描探针显微镜的纳米加工技术，包括了一种纳米刻蚀技术 （Nanolithgraphy）。
实验十三扫描隧道显微镜（STM）
实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）实验⼗三扫描隧道显微镜（STM）1982年，IBM瑞⼠苏黎⼠实验室的葛·宾尼(Gerd Binning)和海?罗雷尔(Heinrich Rohrer)研制出世界上第⼀台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，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的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖．与其它表⾯分析技术相⽐，STM具有如下独特的优点：1．具有原⼦级⾼分辨率，STM在平⾏和垂直于样品表⾯⽅向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原⼦．2．可实时再现样品表⾯的三维图象，⽤于对表⾯结构的研究及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，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．4．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它溶液中．不需要特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、超导机制、电化学反应过程中电极表⾯变化的监测等．5．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．6．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．STM也存在因本⾝的⼯作⽅式所造成的局限性．STM所观察的样品必须具有⼀定的导电性，因此它只能直接观察导体和半导体的表⾯结构，对于⾮导电材料，必须在其表⾯覆盖⼀层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表⾯的分辨率．然⽽，有许多感兴趣的研究对象是不导电的，这就限制了STM应⽤．另外，即使对于导电样品，STM观察到的是对应于表⾯费⽶能级处的态密度，如果样品表⾯原⼦种类不同，或样品表⾯吸附有原⼦、分⼦时，即当样品表⾯存在⾮单⼀电⼦态时，STM得到的并不是真实的表⾯形貌，⽽是表⾯形貌和表⾯电⼦性质的综合结果．【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．学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表⾯形貌；4．学习⽤计算机软件处理原始数据图象．【实验仪器】NanoView-I型扫描隧道显微镜，Pt-Ir⾦属探针，⾦薄膜（团簇）样品，⾼序⽯墨（HOPG）- 76 -样品等．【实验原理】1．隧道电流扫描隧道显微镜的⼯作原理是基于量⼦⼒学的隧道效应．对于经典物理学来说，当⼀粒⼦的动能E 低于前⽅势垒的⾼度V 0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，粒⼦可以穿过⽐它的能量更⾼的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒⼦的波动性⽽引起的，只有在⼀定的条件下，这种效应才会显著．经计算，透射系数图1 量⼦⼒学中的隧道效应)(22200016E V m a e V E V E T ≈=）（（1）由式中可见，透射系数T 与势垒宽度a 、能量差（V 0-E ）以及粒⼦的质量m 有着很敏感的依赖关系，随着a 的增加，T 将指数衰减，因此在宏观实验中，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时（通常⼩于1 nm ），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 是针尖的电⼦波函数与样品的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)exp(21S A V I b Φ?∝（2）式中V b 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数Φ≈ (Φ1+Φ2) /2，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．由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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，就可以直接得到样品的表⾯三维形貌图．图2 STM 基本构成2．STM 的结构和⼯作模式 STM 仪器由具有减振系统的STM 头部、电⼦学控制系统和包括A/D 多功能卡的计算机组成（图2）．头部的主要部件是⽤压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x - y ⽅向- 77 -扫描电压的作⽤下，扫描器驱动探针在导电样品表⾯附近作x- y⽅向的扫描运动．与此同时，由差动放⼤器来检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压，反馈到扫描器，作为探针z⽅向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表⾯的⾼度．STM常⽤的⼯作模式主要有以下两种：（1）恒流模式如图3（a），利⽤压电陶瓷控制针尖在样品表⾯x-y⽅向扫描，⽽z⽅向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表⾯凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，当样品表⾯凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，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记录并显⽰出来，就得到了样品表⾯态密度的分布或原⼦排列的图像．这种⼯作模式可⽤于观察表⾯形貌起伏较⼤的样品，且可通过加在z⽅向的驱动电压值推算表⾯起伏⾼度的数值．恒流模式是⼀种常⽤的⼯作模式，在这种⼯作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率．（2）恒⾼模式如图3（b），针尖的x-y⽅向仍起着扫描的作⽤，⽽z⽅向则保持绝对⾼度不变，由于针尖与样品表⾯的局域⾼度会随时发⽣变化，因⽽隧道电流的⼤⼩也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表⾯态密度的分布．恒⾼模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，实现表⾯形貌的实时显⽰，但这种模式要求样品表⾯相当平坦，样品表⾯的起伏⼀般不⼤于1 nm，否则探针容易与样品相撞．【实验内容】1．准备和安装样品、针尖针尖在扫描隧道显微镜头部的⾦属管中固定，露出头部约5毫⽶．将样品放在样品座上，应保证良好的电接触．将下部的两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部轻轻放在⽀架上（要确保针尖和样品间有⼀定的距离），头部的两边⽤弹簧扣住．⼩⼼地细调螺旋测微头和⼿动控制电机，使针尖向样品逼近，⽤放⼤镜观察，在针尖和样品相距约0.5—1毫⽶处停住．2．⾦膜表⾯的原⼦团簇图像扫描运⾏STM的⼯作软件，单击“在线扫描”，出现“STM扫描控制”控制界⾯．“隧道电流”置为0.25～0.3nA，“针尖偏压”置为200 ~ 250mv，“扫描范围”设为1000nm左右，“扫描⾓度”设为0 ~ 90度，“扫描速度”设为0.1s / ⾏左右，“采样”设- 78 -为256，“放⼤倍率”设为1；选择“马达控制”，点击“⾃动进”, 马达⾃动停⽌后，不断点击“单步进”或“单步退”，直到“隧道电流”的显⽰杆落⼊｜｜区域之内；如此时“平衡”的显⽰杆尚未进⼊相应的｜｜区域之内，可使⽤控制箱⾯板上的“平衡”旋钮，将其调⼊；选择“扫描⽅式”，点击“恒流模式”进⾏扫描．扫描结束后⼀定要将针尖退回！“马达控制”⽤“⾃动退”，然后关掉马达和控制箱．3．图像处理（1）平滑处理：将像素与周边像素作加权平均．（2）斜⾯校正：选择斜⾯的⼀个顶点，以该顶点为基点，线形增加该图像的所有像数值，可多次操作．（3）中值滤波：对当前图像作中值滤波．（4）傅⽴叶变换：对当前图像作FFT滤波，此变换对图像的周期性很敏感，在作原⼦图像扫描时很有⽤．（5）边缘增强：对当前图像作边缘增强，使图像具有⽴体浮雕感．（6）图像反转：对当前图像作⿊⽩反转．（7）三维变换：使平⾯图像变换为⽴体三维图像，形象直观．4．⾼序⽯墨原⼦（HOPG）图像的扫描（选做）在上⾯实验的基础上，可进⼀步扫描⽯墨表⾯的碳原⼦．⽤⼀段透明胶均匀地按在⽯墨表⾯上，⼩⼼地将其剥离，露出新鲜⽯墨表⾯，保证样品台和样品座之间有着良好的电接触．采⽤恒流⼯作模式，先将“隧道电流”置于0.25～0.3 nA，“针尖偏压”置于-200～-250 mv，“扫描范围”设为1000 nm左右，“扫描⾓度”设为0～90度，“扫描速度”设为0.1s/⾏左右，“采样”设为256，“放⼤倍率”设为1，找出新鲜的⽯墨表⾯台阶；在两台阶之间选取⼀块平坦的地⽅，逐渐减⼩扫描范围，提⾼隧道电流，增加放⼤倍率（５倍或25倍，直⾄能渐渐看到原⼦图象；最后，“扫描范围”设为10 nm以下，“隧道电流”置于0.45 nA左右，“针尖偏压”置于-255 mv左右，并细⼼地维持“平衡”的显⽰杆在｜｜区域之内，这样扫描约20分钟，待其表⾯达到新的热平衡后，可以得到⽐较理想的⽯墨原⼦排列图像．【思考题】1．恒流模式和恒⾼模式各有什么特点?2．不同⽅向的针尖与样品间的偏压对实验结果有何影响?3．隧道电流设置的⼤⼩意味着什么？4．若隧道电流能在2%范围内保持不变，试估算样品表⾯的⾼度测量的误差．【参考⽂献】[1] G. Binning and H. Rohrer, Helv. Phys. Acta, 55 (1982) 726[2] H. -J. Guntherodt and R. Wiesendanger, Scanning tunneling microscopy Ⅰ-Ⅲ, Springer-Verlag,Berlin, 1992[3] 曾谨严, 量⼦⼒学, 科学出版社[4] ⽩春礼, 扫描隧道显微术及其应⽤, 上海科学技术出版社[5] C. Julian Chen, Introduction to scanning tunneling microscopy, Oxford University Press, 1993- 79 -。
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜纳米技术的发展与扫描隧道显微镜的发明和应用密切相关。
正是扫描隧道显微镜的出现，催生出扫描隧道显微技术，并展示出诱人的功能和潜力，尤其是利用隧道扫描技术可以直接控制纳米级物质的摆放，从而给纳米技术注入了不可估量的活力。
扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在IBM苏黎世实验室发明，两位发明者因此与透射电子显微镜的发明者鲁斯卡一起获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜具有很高的分辨率，可以观察、测量物体表面单个原子和分子的排列状态以及电子在表面的行为。
可以用这么一个比喻来形容扫描隧道显微镜的分辨本领：用扫描隧道显微镜可以把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，这相当于把一个网球放大到地球那么大。
也可以利用扫描隧道显微镜的探针尖端精确操纵原子，进行单个原子和分子的搬迁、去除、添加和重组，构造出新结构的物质，是纳米科技领域重要的测量和加工工具。
1993年5月,位于美国加州Almaden的IBM研究中心的M.F.Crommie 等人,在4K（4开尔文,-269摄氏度）温度下用电子束将单层铁原子蒸发到清洁的铜表面,然后用扫描隧道显微镜操纵这些铁原子,将它们排成一个由48个原子组成的圆圈.圆圈的平均半径为7.13纳米,相邻铁原子之间的平均距离为0.95纳米.这个原子圈虽然是由离散原子组成的,因而并不连续,但却能够像栅栏一样围住圈内处于铜表面的自由电子,故而得名“量子围栏”，如下图。
之后，我国科学家亦操纵原子写出“中国”两字，并通过排列原子绘出中国轮廓图。
（话说国内技术还是不如国外哈，两字写得真难看。
）扫描隧道显微镜的工作原理非常简单，基于量子力学的隧道效应和三维扫描。
一根非常细的钨金属探针（针尖极为尖锐，仅由一个原子组成，为0.1~1纳米）慢慢地划过被分析的样品，如同一根唱针扫过一张唱片。
在正常情况下互不接触的两个电极（探针和样品）之间是绝缘的。
然后当探针与样品表面距离很近，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。
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扫描隧道显微镜文案
1 百度百科——扫描隧道显微镜
资料来源：/view/381283.htm
简介
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”，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。
它于1981年由格尔德·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，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。
它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。
此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
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。
具体应用
扫描
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测[1]。
探伤及修补
STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏。
微观操作
引发化学反应
STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。
这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应[1][3]。
用STM移动氙原子排出的“IBM”图案移动，刻写样品
当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。
针尖进行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好坏[1]。
移动针尖进行刻写的办法主要有两种
①在反馈电路正常工作时，通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻，达到控制针尖移动的目的。
当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作，反馈将控制针尖移向样品，从而减小接触电阻。
②当STM处于隧道状态时，固定反馈线路的输出信号，关闭反馈，然后通过改变控制Z向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距，这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化，相对来说是较为理想的办法。
刻写的结果与针尖的清洁程度有密切关系。
已经污染的针尖接触表面后将产生一小坑；未使用过的清洁的针尖接触表面则产生一小丘。
清洁针尖在表面上产生小丘的原因是由于它与表面有粘接现象，此时若想使针尖与样品的间距恢复到与表面接触前的情况，针尖必须退回更多，这从另一个角度说明针尖的粘接已使表面产生一凸起部分。
针尖的污染将会阻止它对表面的粘接，故使用过的针尖接触表面后将会刻出一个小坑，坑的周围还会有原先在坑内的原子翻出堆成的凸起边缘。
室温下在Au及Ag等金属表面上刻写出的微细结构在室温下总是不稳定的，由于金属原子的扩散，这些结构最多在几小时内就会模糊以至消失。
在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上运用STM刻出稳定的结构却是可能
的。
刻写时，针尖向样品移进2nm时，小坑深（从边缘算起）0.7nm。
在室温条件下及超高真空中，这些图形具有高稳定性，经很长时间后亦不发生变化[1]。
STM可在金属玻璃上进行刻写操作，小丘的大小随偏压的增加而增加。
产生小丘的原因通常认为是由于高电流密度引起了衬底的局部熔化，这些熔化物质在针尖负偏压产生的静电场作用下，会形成一突起的泰勒锥，电流去掉后，这个锥立即冷却下来，在表面上形成一小丘……并不是所有的表面都可如此形成小丘的。
衬底的熔点决定了局部熔化时所需的热量；对于点源电子束，衬底实际获取热量不仅与电流密度有关，还取决于电子在其中的平均自由程及所用衬底的热传导系数；对于无序的金属化玻璃Rh25Zr75，由于电子在其中的平均自由程较晶体及多晶金属小一百倍，且熔点不是非常高，为1340K，因此电子束入射时其获取热量较多，相对较易被熔化，故容易在其上如此形成小丘。
2 视频资源——扫描隧道显微镜简介
资料来源：原子分子的显微图像
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