扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜STMppt课件
世界上第1台扫描隧道显微镜
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为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
世界上第1台扫描隧道显微镜
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TEM 是 通 过 电 子 束透过试件而放大成像 的，电子束穿透材料的 能力不强，故试件必须 做得极薄，加工这种极 薄的试件有相当难度， 故TEM的适用范围有限。
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3.表面轮廓仪 为了规范事业单位聘用关系，建立和完善适应社会主义市场经济体制的事业单位工作人员聘用制度，保障用人单位和职工的合法权益
用探针对试件表面形貌进行接触测量是一种古老的方法。随着测量技术的提高，现在的测 量表面粗糙度的轮廓仪，分辨率达0.05um以上。为了避免探针尖磨损，用金刚石制造。探针尖 曲率半径在0.05um左右，这就限制了测量分辨率的提高，且测量时针尖有一定力压向试件，容 易划伤试件。
5.场发射形貌描绘仪
场 发 射 原 理 在 1956 年 由 R.Young 提 出 ， 但 直 到 1971 年 R.Young 和 J.Ward才提出了应用场发射原理的形貌描绘仪。它在基本原理和操作上， 是最接近扫瞄隧道显微镜的仪器。探针尖装在顶块上，可由X向和Y向压 电陶瓷驱动，做X向和Y向扫描运动。试件装在下面的Z向压电陶瓷元件上， 由反馈电路控制，保持针尖和试件间的距离。 R.Young使用的针尖曲率 半径为几十纳米，针尖和试件间的距离为100nm。在试件上加正高压后，
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扫描隧道电子显微镜ppt课件
缺点
• 1、在扫描隧道显微镜(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。对铂超细 粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形 貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测 中则不会出现这种问题。 在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会 有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间 的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得 尤为重要。
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 结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术 领域中。
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。
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。
扫描隧道显微镜的基本原理
扫描隧道显微镜的基本原理1. 扫描隧道显微镜是一种神奇的科学装置，它可以让我们看到微观世界的奇妙景象。
要说起这个玩意儿的原理，简直就是科技界的神秘密码！1.1 让我们从名字的意思来破解这个密码吧。
首先，扫描就是用一种方式逐点扫描样本，像是寸步不离地细细品味。
然后，隧道指的是咱们中国古话里那个进退两难的境地。
看来这种显微镜是要在微观世界中找出那些难以被捉摸的秘密啊！1.2 不过，这玩意儿还是要依赖一些高科技的手段才能实现的。
首先，它会用一个超微小的探头，就像是一个小小的侦探，勇敢地探索着微观世界的深处。
这个探头能够感知到样本表面的微小变化，并且把它们转换成电信号。
1.2.1 接下来，就要展现高超的“探案”能力了！扫描隧道显微镜会使用一个非常尖锐的探针，它就像是侦探手里的放大镜，可以无情地放大样本表面的细微细节。
1.2.2 不过，这个探针也太小了吧！要是弄丢了，估计上天也不一定能找得回来。
所以，为了确保它能按时上岗，并保持“锐利”的状态，科学家们还得定期给它“修葺”一番。
毕竟，谁都不愿意让自己身边的“利器”变得变得钝掉。
2. 接下来，就该让我们来揭开扫描隧道显微镜的“里子”是什么了！不过别着急，一步步来，急什么嘛！2.1 前方高能！这可是个重要节点！扫描隧道显微镜会在样本的表面上来回扫描，每次扫描一个细小的区域。
它就像是个负责任的记者，会把每个区域的情况都详细地汇报给我们。
2.1.1 那么，它是怎么“汇报”的呢？它会通过探针与样本之间的相互作用，来获取一系列精密的数据。
这些数据包含了样本表面的形状、材料成分甚至是电子结构。
简直就像是个微观世界的偷窥狂，悄无声息地窥探着每一处角落。
2.2 嗯，看来扫描隧道显微镜可不是吹牛逼的！它远不止是给我们看看样本长啥样的玩意儿。
它能够帮助科学家们深入研究材料的性质，进而探索出一些奇妙的规律和现象。
2.2.1 比如，可以通过它来观察材料表面的纳米结构，这可是一项了不起的技术！有了它，科学家们可以更好地了解材料的性质和行为，进而开发出更牛逼的材料和器件。
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
扫描隧道显微镜的原理及应用
02
扫描隧道显微镜的基本原理
量子隧穿效应
微观粒子波动性
在量子力学中，微观粒子如电子具有 波动性，可以穿透比其动能更高的势 垒，即发生隧穿效应。
隧穿概率
粒子穿透势垒的概率取决于势垒的高 度和宽度，势垒越低、越窄，隧穿概 率越高。
扫描隧道显微镜的工作原理
探针与样品接近
01
在扫描隧道显微镜中，尖锐的探针接近样品表面，二者之间形
成一个势垒。
电子隧穿
02
当探针与样品之间的距离足够近时，电子可以穿过势垒，形成
隧穿电流。
电流变化与距离关系
03
隧穿电流的大小对探针与样品之间的距离非常敏感，距离微小
扫描隧道显微镜的原理及应 用
演讲人：
日期：
• 引言 • 扫描隧道显微镜的基本原理 • 扫描隧道显微镜的构造与性能 • 扫描隧道显微镜的应用领域
• 扫描隧道显微镜的实验技术与方法 • 扫描隧道显微镜的发展趋势与挑战
01
引言
扫描隧道显微镜的发明与意义
发明背景
扫描隧道显微镜（STM）是20世 纪80年代初发明的一种新型表面 分析工具，它的出现为微观领域
03
技术瓶颈
应用局限性
成本与普及
进一步提高STM的分辨率和稳定 性面临技术瓶颈，需要新的理论 和方法指导。
STM在某些特殊环境和条件下的 应用受到限制，如高温、强磁场 等。
高性能的STM仪器价格昂贵，限 制了其在更广泛领域的应用和普 及。
THANKS
感谢观看
扫描隧道显微镜
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原子和分子的操纵与“量子幻影”
• 扫描隧道显微镜不仅可以对表面原子、分 子成像，对表面进行刻写，还可以操纵单 个原子和分子。
• 这方面的开创性工作是IBM公司的科学家做 出的。
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用扫描隧道显微 镜针尖移动原子 排成的汉字“原 子”
• 纳米神算子—— 分子算盘 • 科学家把碳60分子每十个
一组放在铜的表面组成了 世界上最小的算盘。与普 通算盘不同的是，算珠不 是用细杆穿起来，而是沿 着铜表面的原子台阶排列 的。
的信息 (表面形貌和表面电子态)转 化为图像记录下来。
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STM图像解释
STM图像反映的是样品表面的局域电子 结构和遂穿势垒的空间变化，而与表面原 子核的位置没有直接关系，不能将观测到 的表面高低起伏简单的归结为原子的排布 结构。另外，STM针尖也不只被动的对表 面成像，事实上，其电子结构对成像的结 果有时会产生重要影响。
如果钴原子被置于量 子围栏焦点之外的任意 一个地方，即不在焦点 上，“幻影”效应随即 消失。看上去只有一个 原子。
这个实验结果的重要意 义在于直接观察到量子效应 将信息从一个原子传送到另 一个原子，中间无需任何连 接，而不可思议的是另一个 原子不一定是真实的。这一 现象在我们所处的宏观世界
中是不可能发生的。
• 这种随时间连续观察的方式对于研究表面 纳米结构的稳定性是十分有用的。
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用扫描隧道显微镜观察Pt 原子在Pt（110）表面运动 的系列图像。将四幅图一起 比较，可发现有些原子的位 置发生了改变.每幅图的尺 寸是15nmx15nm,采集一幅 图的时间为13秒，T=61OC
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银纳米（小于10nm)岛在银表面的消失， . 整个过程经历了47分钟
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纳米材料分析和表征
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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。
此时若在针尖和样品之间加上一个电压，电子便会穿过针尖和样品之间的绝缘势垒而形成纳安级（10的-9次方安培）的隧道电流，从一个电极（探针）流向另一个电极（样
品），正如不必再爬过高山，却可以通过隧道而从山下通过一样。
当其中一个电极是非常尖锐的探针时，由于尖端效应而使隧道电流加大。
将得到的电流信息采集起来，再通过计算机处理，可以得到样品表面原子排列的图像。