實驗3．5掃描隧道顯微鏡1謝謝你的閱讀2019年11月9實驗3．5掃描隧道顯微鏡1謝謝你的閱讀2019年11月9實驗目的學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結構；觀測和驗證量子力學中的隧道效應；學習掃描隧道顯微鏡的操作和調試過程，并以之來觀測樣品的表面形貌；學習用計算機軟件處理原始圖象數據。2謝謝你的閱讀2019年11月9實驗目的學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結構；2謝謝你的閱讀實驗原理3謝謝你的閱讀2019年11月9實驗原理3謝謝你的閱讀2019年11月9一、引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G．Binning）和海·羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicro－scoPe，簡稱STM）．STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一．為表彰STM的發明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金．4謝謝你的閱讀2019年11月9一、引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室5謝謝你的閱讀2019年11月95謝謝你的閱讀2019年11月9

原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特時代，但在漫長的歲月中，原子還只是假設而并非可觀測到的客體.人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質的結構細節，光學顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細菌、細胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應，使得光學顯微鏡的分辨率只能達到10-7m.6謝謝你的閱讀2019年11月9原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利

電子顯微鏡的發明開創了物質微觀結構研究的新紀元，掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達到原子級的分辨率——0．Inm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術和真空條件．7謝謝你的閱讀2019年11月9電子顯微鏡的發明開創了物質微觀結構研究的新紀

場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測半徑小于100nm的針尖上的原子結構和二維幾何性質，且樣品制備復雜，可用來作為樣品的材料也十分有限.X射線衍射和低能電子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結構的樣品進行研究．8謝謝你的閱讀2019年11月9場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原

與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優點：

1.具有原子級高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達0．Inm和0．01nm，即可以分辨出單個原子．

9謝謝你的閱讀2019年11月9與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優

這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。10謝謝你的閱讀2019年11月9這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表2．可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態過程的研究．

11謝謝你的閱讀2019年11月92．可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或3．可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等．12謝謝你的閱讀2019年11月93．可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是硅111面77原子重構象

為了得到表面清潔的硅片單質材料，要對硅片進行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進行重新組合，結構發生較大變化，這就是所謂的重構。13謝謝你的閱讀2019年11月9硅111面77原子重構象

為了得到表面清潔的4．可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特別的制樣技術并且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超一身地創、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。14謝謝你的閱讀2019年11月94．可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，液體中觀察原子圖象

下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態的一級和二級結構清晰可見。

15謝謝你的閱讀2019年11月9液體中觀察原子圖象

下圖所示的是在電解液中得到的硫

5．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等．

16謝謝你的閱讀2019年11月95．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表6．利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發展奠定了基礎．17謝謝你的閱讀2019年11月96．利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米

1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。

18謝謝你的閱讀2019年11月9

1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成二．隧道電流

掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力學中的隧道效應。對于經典物理學來說，當一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不可能越過此勢壘，即透射系數等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘(如圖1)這個現象稱為隧道效應。

19謝謝你的閱讀2019年11月9二．隧道電流掃描隧道顯微鏡(Scanning20謝謝你的閱讀2019年11月920謝謝你的閱讀2019年11月9

隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應才會顯著。經計算，透射系數T為：：21謝謝你的閱讀2019年11月9隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一由式(1)可見，T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質量m有著很敏感的關系。隨著勢壘厚(寬)度a的增加，T將指數衰減，因此在一般的宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現象。22謝謝你的閱讀2019年11月9由式(1)可見，T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的

掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。

23謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數Φ有關：

24謝謝你的閱讀2019年11月9隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數

25謝謝你的閱讀2019年11月9式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數

25謝Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數，A為常數，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應具有一定的導電性才可以產生隧道電流。26謝謝你的閱讀2019年11月9Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數，A為常數，在真空條件下約二．掃描隧道顯微鏡的工作原理

27謝謝你的閱讀2019年11月9二．掃描隧道顯微鏡的工作原理27謝謝你的閱讀2019年11

由式(2)可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數依賴關系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數量級。因此，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

28謝謝你的閱讀2019年11月9由式(2)可知，隧道電流強度對針尖和樣品

掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。

a)恒電流模式：如圖（a）所示，

29謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式30謝謝你的閱讀2019年11月930謝謝你的閱讀2019年11月9

x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅動的電壓值推算表面起伏高度的數值。31謝謝你的閱讀2019年11月9x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統，初始隧道電流b)恒高度模式：如圖(b)所示，在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。32謝謝你的閱讀2019年11月9b)恒高度模式：如圖(b)所示，在掃描過程33謝謝你的閱讀2019年11月933謝謝你的閱讀2019年11月9實驗儀器和樣品34謝謝你的閱讀2019年11月9實驗儀器和樣品34謝謝你的閱讀2019年11月9一、隧道針尖

隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態。

35謝謝你的閱讀2019年11月9一、隧道針尖隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術36謝謝你的閱讀2019年11月936謝謝你的閱讀2019年11月9

針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前，二者就發生碰撞。37謝謝你的閱讀2019年11月9針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率

目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成型法等。制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑-銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學腐蝕法。而鉑-銥合金針尖則多用機械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質，這經常是造成隧道電流不穩、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此，每次實驗前，都要對針尖進行處理，一般用化學法清洗，去除表面的氧化層及雜質，保證針尖具有良好的導電性。38謝謝你的閱讀2019年11月9目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成39謝謝你的閱讀2019年11月939謝謝你的閱讀2019年11月9二．三維掃描控制器壓電陶瓷由于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。40謝謝你的閱讀2019年11月9二．三維掃描控制器壓電陶瓷40謝謝你的閱讀2019年11月9所謂壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電場，或給晶體加一電場時晶體會產生物理形變的現象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。41謝謝你的閱讀2019年11月9所謂壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電2．三維掃描控制器用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。左圖給出了這幾種類型的結構示意簡圖，其中：(a)為三腳架型，由三根獨立的長棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動。42謝謝你的閱讀2019年11月92．三維掃描控制器用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三43謝謝你的閱讀2019年11月943謝謝你的閱讀2019年11月9(b)為單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定)，導致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現在x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側膨脹，相對的另一側收縮，增加掃描范圍，亦可以加上直流偏置電壓，用于調節掃描區域。44謝謝你的閱讀2019年11月9(b)為單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等

(c)為十字架配合單管型，z方向的運動由處在“十”字型中心的一個壓電陶瓷管完成，x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結構的x-y掃描單元是一種互補結構，可以在一定程度上補償熱漂移的影響。45謝謝你的閱讀2019年11月9(c)為十字架配合單管型，z方向的運動由處在

Binnis和Rohrer等人早期在IBM蘇黎世實驗室設計的STM中，采用一個叫作“虱子”（Louse）的粗調驅動器（見下圖）

46謝謝你的閱讀2019年11月9Binnis和Rohrer等人早期在IBM蘇黎

圖樣品粗調驅動器粗調驅動器(L)由連成三角形的三條相互絕緣的壓電陶瓷材料和三只金屬腳（MF）構成．MF外鍍一層高絕緣薄膜，使其與水平金屬臺板(GP)高度絕緣．在MF和GP之間加上電壓，由于靜電作用MF就被吸在GP上，去掉電壓，MF則被“釋放”．47謝謝你的閱讀2019年11月9圖樣品粗調驅動器粗調驅動器(L)由連成三角形的三條相互絕如果把兩只MF固定在GP上，同時在構成三角形的壓電陶瓷條中的相應兩條施加電壓，由于這兩條壓電陶瓷材料的膨脹或收縮（依據所加電壓的符號），另一只沒有固定的MF就會作微小移動．再把這只MF固定而放松前兩只MF，同時去掉加在壓電陶瓷上的電壓，使其長度復原．這一循環的結果是“虱子”爬行了一步以適當的順序控制加在壓電陶瓷上和MF上的電壓和頻率，可以使“虱子”在GP上沿不同方向一步步爬行．一般每步在10μm

至許1μm之間，每秒可爬行30步．用這個方法可以把樣品移動到與探針適當的距離和位置，也可以把樣品從探針處移開，以便作清潔處理和其它測量．48謝謝你的閱讀2019年11月9如果把兩只MF固定在GP上，同時在構成三角形的壓電陶瓷條中的最近美國Burleigh儀器公司推出一種壓電陶瓷步進馬達，其工作原理示于下圖49謝謝你的閱讀2019年11月9最近美國Burleigh儀器公司推出一種壓電陶瓷步進馬達，其

總結各種樣品與針尖粗調機構，主要可以分為下三種：（1）爬行方式：利用靜電力、機械力或磁力的夾緊，并配合壓電陶瓷材料的膨脹或收縮，使樣品架或什尖向前爬行，如前所述“虱子”型的樣品移動臺和壓電陶瓷步進電機都屬于這一種．（2）機械調節方式：利用一個或多個高精度的差分調節螺桿，配合減速原理靠機械力調節樣品的位置．當然差分調節螺桿的旋轉可以手動，亦可由步進電機等方式驅動．（3）螺桿與簧片結合方式：用一個高精度調節螺桿直接頂住一個差分彈簧或責片系統來調節．各種方式都各有千秋，第一種方式常在真空條件下使用，第二種方式在大氣環境中用的較多，而在低溫條件下，多采用第三種方式．50謝謝你的閱讀2019年11月9總結各種樣品與針尖粗調機構，主要可以分為下三三．減震系統由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數關系，因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。

51謝謝你的閱讀2019年11月9三．減震系統由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同外界震動如建筑物的震動，通風管道、變壓器和馬達的震動、工作人員所引起的震動等，其頻率一般在1到100Hz之間，因此隔絕震動的方法主要是靠提高儀器的固有頻率和使用震動阻尼系統。

52謝謝你的閱讀2019年11月9外界震動如建筑物的震動，通風管道、變壓器和馬達的震動、工作人掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。53謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的除此之外，儀器中經常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數小，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。54謝謝你的閱讀2019年11月9除此之外，儀器中經常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的55謝謝你的閱讀2019年11月955謝謝你的閱讀2019年11月9在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀器的減震要求。某些特殊情況，對儀器性能要求較高時，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進行屏蔽，提高探測的準確性。56謝謝你的閱讀2019年11月9在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀四．電子學控制系統掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統，因此，電子學控制系統也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統來實現的。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學控制控制系統的框圖。57謝謝你的閱讀2019年11月9四．電子學控制系統掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統，因此58謝謝你的閱讀2019年11月958謝謝你的閱讀2019年11月9該電子反饋系統最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統，即針尖與樣品之間的偏壓由計算機數模轉換通道給出，再通過X、Y、Z偏壓控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進而控制針尖的掃描。電子學控制系統中的一些參數，如隧道電流、針尖偏壓的設定值，反饋速度的快慢等，都隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這些參量是可以調節的。一般在計算機軟件中可以設置和調節這些數值，也可以直接通過電子學控制機箱上的旋鈕進行調節。59謝謝你的閱讀2019年11月9該電子反饋系統最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統，五．在線掃描控制和離線數據處理軟件在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統中，計算機軟件所起的作用主要分為在線掃描控制和離線數據分析兩部分

60謝謝你的閱讀2019年11月9五．在線掃描控制和離線數據處理軟件在掃描隧道顯微鏡的軟件控制（一）在線掃描控制1．參數設置在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機軟件主要實現掃描時的一些基本參數的設定、調節，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數據圖象等。計算機軟件將通過計算機接口實現與電子設備間的協調共同工作。在線掃描控制中一些參數的設置功能如下：61謝謝你的閱讀2019年11月9（一）在線掃描控制1．參數設置61謝謝你的閱讀2019年1“電流設定”的數值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表著恒電流掃描過程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數值設定越大，這一恒定距離也越小。測量時“電流設定”一般在“0.5-1.0nA”范圍內。62謝謝你的閱讀2019年11月9“電流設定”的數值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表“針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用于產生隧道電流的電壓真實值。這一數值設定越大，針尖和樣品之間越容易產生隧道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越小，恒高度掃描模式中產生的隧道電流也越大。“針尖偏壓”值一般設定在“50-100mV”范圍左右。63謝謝你的閱讀2019年11月9“針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用于產生隧道電流的電壓真“Z電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實電壓。Z電壓的初始值決定了壓電陶瓷的初始狀態，隨著掃描的進行，這一數值要發生變化。“Z電壓”在探針遠離樣品時的初始值一般設定在“-150.0mV—-200.0mV”左右。64謝謝你的閱讀2019年11月9“Z電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實電壓。“采集目標”包括“高度”和“隧道電流”兩個選項，選擇掃描時采集的是樣品表面高度變化的信息還是隧道電流變化的信息。“輸出方式”決定了將采集到的數據顯示成為圖象還是顯示成為曲線。“掃描速度”可以控制探針掃描時的延遲時間，該值越小，掃描越快。“角度走向”是指探針水平移動的偏轉方向，改變角度的數值，會使掃描得到的圖象發生旋轉。65謝謝你的閱讀2019年11月9“采集目標”包括“高度”和“隧道電流”兩個選項，選擇掃描時采“尺寸”是設置探針掃描區域的大小，其調節的最大值有量程決定。尺寸越小，掃描的精度也越高，改變尺寸的數值可以產生掃描圖象的放大與縮小的作用。“中心偏移”是指掃描的起始位置與樣品和針尖剛放好時的偏移距離，改變中心偏移的數值能使針尖發生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是當前量程決定的最大尺寸。“工作模式”決定掃描模式是恒電流模式還是恒高度模式。“斜面校正”是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時所做的軟件校正。“往復掃描”決定是否進行來回往復掃描。“量程”是設置掃描時的探測精度和最大掃描尺寸的大小。這些參數的設置除了利用在線掃描軟件外，利用電子系統中的電子控制箱上的旋鈕也可以設置和調節這些參數。66謝謝你的閱讀2019年11月9“尺寸”是設置探針掃描區域的大小，其調節的最大值有量程決定。2．馬達控制

軟件控制馬達使針尖逼近樣品，首先要確保電動馬達控制器的紅色按鈕處于彈起狀態，否則探頭部分只受電子學控制系統控制，計算機軟件對馬達的控制不起作用。馬達控制軟件將控制電動馬達以一個微小的步長轉動，使針尖緩慢靠近樣品，直到進入隧道區為止。馬達控制的操作方式為：“馬達控制”選擇“進”，點擊“連續”按鈕進行連續逼近，當檢測到的隧道電流達到一定數值后，計算機會進行警告提示，并自動停止逼近，此時單擊“單步”按鈕，直到“Z電壓”的數值接近零時停止逼近，完成馬達控制操作。67謝謝你的閱讀2019年11月92．馬達控制軟件控制馬達使針尖逼近樣品，首先（二）離線數據分析

離線數據分析是指脫離掃描過程之后的針對保存下來的圖象數據的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立葉變換、圖象反轉、數據統計、三維生成等。平滑：平滑的主要作用是使圖象中的高低變化趨于平緩，消除數據點發生突變的情況。濾波：濾波的基本作用是可將一系列數據中過高的削低、過低的添平。因此，對于測量過程中由于針尖抖動或其它擾動給圖象帶來的很多毛刺，采用濾波的方式可以大大消除。68謝謝你的閱讀2019年11月9（二）離線數據分析離線數據分析是指脫離掃描傅立葉變換：快速傅立葉變換對于研究原子圖象的周期性時很有效。圖象反轉：將圖象進行黑白反轉，會帶來意想不到的視覺效果。數據統計：用統計學的方式對圖象數據進行統計分析。三維生成：根據掃描所得的表面型貌的二維圖象，生成直觀美麗的三維圖象。大多數的軟件中還提供很多其它功能，綜合運用各種數據處理手段，最終得到自己滿意的圖象。

69謝謝你的閱讀2019年11月9傅立葉變換：快速傅立葉變換對于研究原子圖象的周期性時很有效。六．測量用樣品1．光柵樣品理想的光柵表面形貌如圖，為1μmX1μm的光柵表面形貌圖。使用掃描隧道顯微鏡，對于這種已知的樣品，很容易測得它的表面形貌的信息。新鮮的光柵表面沒有缺陷，若在測量過程中發生了撞針現象，則容易造成人為的光柵表面的物理損壞，或者損壞掃描針尖。在這種情況下往往很難得到清晰的掃描圖象。此時，除了采取重新處理針尖措施外，適當的改變一下樣品放置的位置，選擇適當的區域進行掃描也是必要的。70謝謝你的閱讀2019年11月9六．測量用樣品1．光柵樣品70謝謝你的閱讀2019年11月971謝謝你的閱讀2019年11月971謝謝你的閱讀2019年11月92．石墨樣品

當用掃描隧道顯微鏡掃描原子圖象時，通常選用石墨作為標準樣品。石墨中原子排列呈層狀，而每一層中的原子則呈周期排列，表面形貌如右圖。由于石墨在空氣中容易氧化，因此在測量前應首先將表面一層揭開（通常用粘膠帶紙粘去表面層），露出石墨的新鮮表面，再進行測量。因為此時要得到的是原子的排列圖象，而任何一個外界微小的擾動，都會造成嚴重的干擾。因此，測量原子必須在一個安靜、平穩的環境中進行，對儀器的抗震及抗噪聲能力的要求也較高。72謝謝你的閱讀2019年11月92．石墨樣品當用掃描隧道顯微鏡掃描原子圖象時73謝謝你的閱讀2019年11月973謝謝你的閱讀2019年11月93．未知樣品通過對已知樣品的測量，我們可以確定針尖制備的好壞，選擇一個較好的針尖，對未知樣品進行測量。通過對掃描所得的圖象進行各種圖象處理，來分析未知樣品的表面形貌信息。74謝謝你的閱讀2019年11月93．未知樣品通過對已知樣品的測量，我們可以確定針尖制備的好壞實驗方法提示(1)將一短長約三厘米的鉑銥合金絲放在丙酮中洗盡，取出后用經丙酮清洗的剪刀剪尖，在放入丙酮中洗幾下（在此后的實驗中干萬不要碰針尖！）。將探針后部略微彎曲，插入頭部的金屬管中固定，針尖露出頭部約5毫米。75謝謝你的閱讀2019年11月9實驗方法提示(1)將一短長約三厘米的鉑銥合金絲放在丙酮中洗(2)將樣品放在樣品臺上，應保持良好的電接觸。將下部兩個螺旋測微頭向上旋起，然后把頭部輕輕放在之加上（要確保針尖與頭部間有一段距離），頭部兩邊用彈簧扣住。小心的調節螺旋測微頭，在針尖與樣品間距約為0．5mm處停住。76謝謝你的閱讀2019年11月9(2)將樣品放在樣品臺上，應保持良好的電接觸。將下部兩個螺(3)運行STM工作軟件，掃開控制箱，將“隧道電流”置為0．5nA，“針尖偏壓”置為50mV，“積分”置為5.0，點擊“自動進＼至馬達自動停止。金的掃描范圍置為800－900nm，光柵的是3000nm左右。開始掃描。可點擊“調色板適應”以便得到合適的圖像對比度，并調節掃描角度和速度，直到獲得滿意的圖像為止。一般，觀察到的金的表面由團簇組成，而光柵的表面一般比較平整，條紋刻痕較淺，在不同角度觀察到的方向不同。77謝謝你的閱讀2019年11月9(3)運行STM工作軟件，掃開控制箱，將“隧道電流”置為0(4)實驗結束后，一定要用“馬達控制”的“連續退”操作將針尖退回，然后再關閉實驗系統。(5)STM儀器比較精致，而且價格昂貴，操作過程中動作一定要輕，避免造成設備損壞。78謝謝你的閱讀2019年11月9(4)實驗結束后，一定要用“馬達控制”的“連續退”操作圖像處理：

(1)平滑處理：將像素與周邊像素做加權平均。

(2)斜面校正：選擇斜面的一個頂點，以該頂點為基點，現行增加該圖像的所有像數值，可多次操作。79謝謝你的閱讀2019年11月9圖像處理：(1)平滑處理：將像素與周邊像素做加權平均。(3)中值濾波：(4)傅立葉變換：對圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時很有用。80謝謝你的閱讀2019年11月9(3)中值濾波：80謝謝你的閱讀2019年11月9課程安排第一周：原理簡介與上機模擬；課后作手資料定向查詢并準備實驗報告。第二周：演示與學生實驗：先用鐵絲作探針練習，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品（光柵）的測量。81謝謝你的閱讀2019年11月9課程安排第一周：原理簡介與上機模擬；課后作手資料定向查詢并第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進行圖像處理。課后資料定向查詢并完成實驗報告。報告內容:1.心得、體會及建議；

2.STM在某個領域的應用或STM儀器的某部件的原理.第四周：宣講實驗報告，每人15分鐘（包括5分鐘提問）。82謝謝你的閱讀2019年11月9第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進行圖像處理。課后資料定實驗思考題：1．掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什么是量子隧道效應？2．掃描隧道顯微鏡主要常用的有哪幾種掃描模式？各有什么特點？3．儀器中加在針尖與樣品間的偏壓是起什么作用的？針尖偏壓的大小對實驗結果有何影響？4．實驗中隧道電流設定的大小意味著什么？83謝謝你的閱讀2019年11月9實驗思考題：1．掃描隧道顯微鏡的工作原理是什么？什么是量子隧在掃描隧道顯微鏡基礎上發展起來的各種新型顯微鏡84謝謝你的閱讀2019年11月9在掃描隧道顯微鏡基礎上發展起來的各種新型顯微鏡84謝謝你的閱

在掃描隧道顯微鏡出現以后，又陸續發展了一系列新型的掃描探針顯微鏡，例如，原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、磁力顯微鏡（MFM）、彈道電子發射顯微鏡（BEEM）、掃描離子電導顯微鏡（SICM）、掃描熱顯微鏡和掃描隧道電位儀（STP）等等。這些新型的顯微鏡，都利用了反饋回路控制探針在距離樣品表面1nm處或遠離樣品表面掃描（或樣品相對于探針掃描）的工作方式，用來獲得掃描隧道顯微鏡不能獲得的有關表面的各種信息，對STM的功能有所補充和擴展。85謝謝你的閱讀2019年11月9在掃描隧道顯微鏡出現以后，又陸續發展了一系列1.原子力顯微鏡（AFM）

掃描隧道顯微鏡工作時要檢測針尖和樣品之間隧道電流的變化，因此它只能直接觀察導體和半導體的表面結構。而在研究非導電材料時必須在其表面覆蓋一層導電膜。導電膜的存在往往掩蓋了樣品的表面結構的細節。為了彌補掃描隧道顯微鏡的這一不足，1986年Binnig、Quate和Gerber發明了第一臺原子力顯微鏡（AFM）。86謝謝你的閱讀2019年11月91.原子力顯微鏡（AFM）掃描隧道顯微鏡工

原子力顯微鏡是將一個對微弱力及敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品的表面輕輕接觸，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在及微弱的排斥力（10-8—10-6N），通過掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。右圖為利用原子力顯微鏡得到的紅血細胞形貌圖。87謝謝你的閱讀2019年11月9原子力顯微鏡是將一個對微弱力及敏感的微懸臂一端固定，88謝謝你的閱讀2019年11月988謝謝你的閱讀2019年11月92.激光力顯微鏡（LFM）

激光力顯微鏡的探針是一根長半毫米的鎢絲或硅探針，其尖端至少在50nm以下，在探針的底端裝有一個壓電能量轉換器，將交流電轉化為探針的振動，當探針的振動頻率接近其共振頻率時，由于探針的共振，對驅動信號起放大作用。把這種受迫振動的探針調節到試樣表面時（2—20nm），探針與試樣表面之間會產生微弱的吸引力，使探針的共振頻率降低，驅動頻率和共振頻率的差距增大，探針的尖端振幅減小。將這種振幅的變化用光學測量法探測出來，據此可推出樣品表面的起伏變化。左圖為硅表面各向異性刻蝕出的1μm寬V型槽的LFM象，放大部位面積為1μmX1μm。89謝謝你的閱讀2019年11月92.激光力顯微鏡（LFM）激光力顯微鏡的探針90謝謝你的閱讀2019年11月990謝謝你的閱讀2019年11月93.磁力顯微鏡（MFM）

磁力顯微鏡（MagneticForceMicroscopy,MFM）也是使用一種受迫振動的探針來掃描樣品表面，所不同的是這種探針是沿著其長度方向磁化了的鎳探針或鐵探針。當這一振動探針接近一塊磁性樣品時，探針尖端就會像一個條狀磁鐵的北極和南極那樣，與樣品中磁疇相互作用而感受到磁力，并使其共振頻率發生變化，從而改變其振幅。這樣檢測探針尖端的運動，就可以進而得到樣品表面的磁特性。右圖為使用MFM觀察得到的磁光盤表面的磁數據位的磁結構（凹坑伏）。91謝謝你的閱讀2019年11月93.磁力顯微鏡（MFM）磁力顯微鏡（MagneticF92謝謝你的閱讀2019年11月992謝謝你的閱讀2019年11月94.靜電力顯微鏡（EFM）

在靜電力顯微鏡中，針尖和樣品起到一個平行的板極電容器中兩塊極板的作用。當其在樣品表面掃描時，其振動的振幅受到樣品中電荷產生的靜電力的影響。利用這一現象，就可以通過掃描時獲得的靜電力圖象來研究樣品的表面信息。左圖為2.5μmX2.5μm的藍寶石表面EFM圖象，其中左面一幅圖象用排斥力獲得，右面一幅圖用吸引的靜電力獲得。93謝謝你的閱讀2019年11月94.靜電力顯微鏡（EFM）在靜電力顯微鏡中，94謝謝你的閱讀2019年11月994謝謝你的閱讀2019年11月95.彈道電子發射顯微術（BEEM）

彈道電子發射顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的，它所用的樣品是由金屬/半導體或半導體/半導體構成的肖特基勢壘異質結。當針尖被調節到接近異質結表面時通過真空隧道效應，針尖向金屬/半導體發射彈道電子。通過觀察針尖掃描時各點的基極-收集極電流Ic和Z電壓Vz，可以直接得到表面下界面結構的三維圖象和表面形貌。右圖為Au/GaAs(100)肖特基勢壘結構的STM形貌象（上）和BEEM象（下），二者是同時采集的。95謝謝你的閱讀2019年11月95.彈道電子發射顯微術（BEEM）彈道電子發96謝謝你的閱讀2019年11月996謝謝你的閱讀2019年11月96.掃描離子電導顯微鏡（SICM）

掃描離子電導顯微鏡是由Hansma等人設計的一種用于生物學和電生理學研究的微觀探測儀器。它是將一個充滿電解液的微型滴管當作探針，非導電樣品放在一個電解液存儲池底部，將滴管探針調節到樣品表面附近，監測電解液電極和存儲池中另一電極之間的電導變化。當微型滴管接近表面時，允許離子流過的空間減少，離子電導也隨之減小。在滴管探針（或樣品）橫向掃描時，通過反饋控制電路使探針（或樣品）上下移動以保持電導守恒，則探針運動的軌跡代表了樣品的表面形貌。97謝謝你的閱讀2019年11月96.掃描離子電導顯微鏡（SICM）掃描離子電7.掃描熱顯微鏡

掃描熱顯微鏡用于探測樣品表面的熱量散失，可測出樣品表面溫度在幾十微米尺度上小于萬分之一度的變化。掃描熱顯微鏡的探針是一根表面覆蓋有鎳層的鎢絲，鎳層與鎢絲之間是絕緣體，在尖端二者相連，這一鎢/鎳接點起熱電偶的作用。探針穩定到樣品表面后，向結點通直流電加熱，針尖的溫度穩定下來時要比周圍環境溫度高。由于樣品是固體，導熱性能比空氣好，所以當加熱后的針尖向樣品表面靠近時，針尖的熱量向樣品流失使針尖的溫度下降。通過反饋回路調節針尖與樣品間距，從而控制恒溫掃描，和獲得樣品表面起伏的狀況。右圖為用掃描熱顯微鏡獲得的在玻璃基底上的紅細胞表面輪廓。98謝謝你的閱讀2019年11月97.掃描熱顯微鏡掃描熱顯微鏡用于探測樣品表面99謝謝你的閱讀2019年11月999謝謝你的閱讀2019年11月98.掃描隧道電位儀（STP）

掃描隧道電位儀（ScanningTunnelingPotentionmetry,STP）是用于研究電子通過凝聚態物質時的遷移。它可以同時表面形貌的電勢分布，因而可以用來研究通過顆粒結構、缺陷和界面的電導。掃描隧道電位儀是在掃描隧道顯微鏡的樣品表面又加了一個電極，樣品與針尖之間加一交流電壓，反饋系統利用這一交流電壓產生的交流隧道電流來控制在掃描時隧道間隙的恒定。100謝謝你的閱讀2019年11月98.掃描隧道電位儀（STP）掃描隧道電位儀（9.光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）

光子掃描隧道顯微鏡（PhotonScanningTunnelingMicroscope,PSTM）是用光學探針探測樣品表面附近被內全反射光所激勵的瞬衰場，從而獲得表面結構的信息，即它是利用光子的隧道效應。101謝謝你的閱讀2019年11月99.光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）光子掃描隧道顯微鏡10.掃描近場光學顯微鏡（SNONM）掃描近場光學顯微鏡（ScanningNear-FieldOpticalMicroscope,SNOM）,使用一個孔闌限制的光纖探針去探測樣品附近的輻射。將光探針以恒高模式在樣品表面掃描，可以得到光的顯微圖象。如果用電子反饋線路調節探針的高度來保持光強的恒定，則得到樣品表面的形貌。102謝謝你的閱讀2019年11月910.掃描近場光學顯微鏡（SNONM）掃描近場光學顯微鏡（S103謝謝你的閱讀2019年11月9103謝謝你的閱讀2019年11月9THANKYOU!104謝謝你的閱讀2019年11月9THANKYOU!104謝謝你的閱讀2019年11月9

實驗3．5掃描隧道顯微鏡105謝謝你的閱讀2019年11月9實驗3．5掃描隧道顯微鏡1謝謝你的閱讀2019年11月9實驗目的學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結構；觀測和驗證量子力學中的隧道效應；學習掃描隧道顯微鏡的操作和調試過程，并以之來觀測樣品的表面形貌；學習用計算機軟件處理原始圖象數據。106謝謝你的閱讀2019年11月9實驗目的學習和了解掃描隧道顯微鏡的原理和結構；2謝謝你的閱讀實驗原理107謝謝你的閱讀2019年11月9實驗原理3謝謝你的閱讀2019年11月9一、引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G．Binning）和海·羅雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicro－scoPe，簡稱STM）．STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一．為表彰STM的發明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金．108謝謝你的閱讀2019年11月9一、引言

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室109謝謝你的閱讀2019年11月95謝謝你的閱讀2019年11月9

原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特時代，但在漫長的歲月中，原子還只是假設而并非可觀測到的客體.人的眼睛不能直接觀察到比10-4m更小的物體或物質的結構細節，光學顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細菌、細胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應，使得光學顯微鏡的分辨率只能達到10-7m.110謝謝你的閱讀2019年11月9原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利

電子顯微鏡的發明開創了物質微觀結構研究的新紀元，掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達到原子級的分辨率——0．Inm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術和真空條件．111謝謝你的閱讀2019年11月9電子顯微鏡的發明開創了物質微觀結構研究的新紀

場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測半徑小于100nm的針尖上的原子結構和二維幾何性質，且樣品制備復雜，可用來作為樣品的材料也十分有限.X射線衍射和低能電子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結構的樣品進行研究．112謝謝你的閱讀2019年11月9場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原

與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優點：

1.具有原子級高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達0．Inm和0．01nm，即可以分辨出單個原子．

113謝謝你的閱讀2019年11月9與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優

這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。114謝謝你的閱讀2019年11月9這是中國科學院化學所的科技人員利用納米加工技術在石墨表2．可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態過程的研究．

115謝謝你的閱讀2019年11月92．可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或3．可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等．116謝謝你的閱讀2019年11月93．可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是硅111面77原子重構象

為了得到表面清潔的硅片單質材料，要對硅片進行高溫加熱和退火處理，在加熱和退火處理的過程中硅表面的原子進行重新組合，結構發生較大變化，這就是所謂的重構。117謝謝你的閱讀2019年11月9硅111面77原子重構象

為了得到表面清潔的4．可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特別的制樣技術并且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超一身地創、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。118謝謝你的閱讀2019年11月94．可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，液體中觀察原子圖象

下圖所示的是在電解液中得到的硫酸根離子吸附在銅單晶(111)表面的STM圖象。圖中硫酸根離子吸附狀態的一級和二級結構清晰可見。

119謝謝你的閱讀2019年11月9液體中觀察原子圖象

下圖所示的是在電解液中得到的硫

5．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等．

120謝謝你的閱讀2019年11月95．配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表6．利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發展奠定了基礎．121謝謝你的閱讀2019年11月96．利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米

1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成果，他們在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。

122謝謝你的閱讀2019年11月9

1990年，IBM公司的科學家展示了一項令世人瞠目結舌的成二．隧道電流

掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)的工作原理是基于量子力學中的隧道效應。對于經典物理學來說，當一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不可能越過此勢壘，即透射系數等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘(如圖1)這個現象稱為隧道效應。

123謝謝你的閱讀2019年11月9二．隧道電流掃描隧道顯微鏡(Scanning124謝謝你的閱讀2019年11月920謝謝你的閱讀2019年11月9

隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應才會顯著。經計算，透射系數T為：：125謝謝你的閱讀2019年11月9隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一由式(1)可見，T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質量m有著很敏感的關系。隨著勢壘厚(寬)度a的增加，T將指數衰減，因此在一般的宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現象。126謝謝你的閱讀2019年11月9由式(1)可見，T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的

掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。

127謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數Φ有關：

128謝謝你的閱讀2019年11月9隧道電流I是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數

129謝謝你的閱讀2019年11月9式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數

25謝Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數，A為常數，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應具有一定的導電性才可以產生隧道電流。130謝謝你的閱讀2019年11月9Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數，A為常數，在真空條件下約二．掃描隧道顯微鏡的工作原理

131謝謝你的閱讀2019年11月9二．掃描隧道顯微鏡的工作原理27謝謝你的閱讀2019年11

由式(2)可知，隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數依賴關系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數量級。因此，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

132謝謝你的閱讀2019年11月9由式(2)可知，隧道電流強度對針尖和樣品

掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式和恒高度模式。

a)恒電流模式：如圖（a）所示，

133謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡主要有兩種工作模式：恒電流模式134謝謝你的閱讀2019年11月930謝謝你的閱讀2019年11月9

x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅動的電壓值推算表面起伏高度的數值。135謝謝你的閱讀2019年11月9x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統，初始隧道電流b)恒高度模式：如圖(b)所示，在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。136謝謝你的閱讀2019年11月9b)恒高度模式：如圖(b)所示，在掃描過程137謝謝你的閱讀2019年11月933謝謝你的閱讀2019年11月9實驗儀器和樣品138謝謝你的閱讀2019年11月9實驗儀器和樣品34謝謝你的閱讀2019年11月9一、隧道針尖

隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態。

139謝謝你的閱讀2019年11月9一、隧道針尖隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術140謝謝你的閱讀2019年11月936謝謝你的閱讀2019年11月9

針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前，二者就發生碰撞。141謝謝你的閱讀2019年11月9針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率

目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成型法等。制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑-銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學腐蝕法。而鉑-銥合金針尖則多用機械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質，這經常是造成隧道電流不穩、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此，每次實驗前，都要對針尖進行處理，一般用化學法清洗，去除表面的氧化層及雜質，保證針尖具有良好的導電性。142謝謝你的閱讀2019年11月9目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成143謝謝你的閱讀2019年11月939謝謝你的閱讀2019年11月9二．三維掃描控制器壓電陶瓷由于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。144謝謝你的閱讀2019年11月9二．三維掃描控制器壓電陶瓷40謝謝你的閱讀2019年11月9所謂壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電場，或給晶體加一電場時晶體會產生物理形變的現象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。145謝謝你的閱讀2019年11月9所謂壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電2．三維掃描控制器用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。左圖給出了這幾種類型的結構示意簡圖，其中：(a)為三腳架型，由三根獨立的長棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動。146謝謝你的閱讀2019年11月92．三維掃描控制器用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三147謝謝你的閱讀2019年11月943謝謝你的閱讀2019年11月9(b)為單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定)，導致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現在x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側膨脹，相對的另一側收縮，增加掃描范圍，亦可以加上直流偏置電壓，用于調節掃描區域。148謝謝你的閱讀2019年11月9(b)為單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等

(c)為十字架配合單管型，z方向的運動由處在“十”字型中心的一個壓電陶瓷管完成，x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結構的x-y掃描單元是一種互補結構，可以在一定程度上補償熱漂移的影響。149謝謝你的閱讀2019年11月9(c)為十字架配合單管型，z方向的運動由處在

Binnis和Rohrer等人早期在IBM蘇黎世實驗室設計的STM中，采用一個叫作“虱子”（Louse）的粗調驅動器（見下圖）

150謝謝你的閱讀2019年11月9Binnis和Rohrer等人早期在IBM蘇黎

圖樣品粗調驅動器粗調驅動器(L)由連成三角形的三條相互絕緣的壓電陶瓷材料和三只金屬腳（MF）構成．MF外鍍一層高絕緣薄膜，使其與水平金屬臺板(GP)高度絕緣．在MF和GP之間加上電壓，由于靜電作用MF就被吸在GP上，去掉電壓，MF則被“釋放”．151謝謝你的閱讀2019年11月9圖樣品粗調驅動器粗調驅動器(L)由連成三角形的三條相互絕如果把兩只MF固定在GP上，同時在構成三角形的壓電陶瓷條中的相應兩條施加電壓，由于這兩條壓電陶瓷材料的膨脹或收縮（依據所加電壓的符號），另一只沒有固定的MF就會作微小移動．再把這只MF固定而放松前兩只MF，同時去掉加在壓電陶瓷上的電壓，使其長度復原．這一循環的結果是“虱子”爬行了一步以適當的順序控制加在壓電陶瓷上和MF上的電壓和頻率，可以使“虱子”在GP上沿不同方向一步步爬行．一般每步在10μm

至許1μm之間，每秒可爬行30步．用這個方法可以把樣品移動到與探針適當的距離和位置，也可以把樣品從探針處移開，以便作清潔處理和其它測量．152謝謝你的閱讀2019年11月9如果把兩只MF固定在GP上，同時在構成三角形的壓電陶瓷條中的最近美國Burleigh儀器公司推出一種壓電陶瓷步進馬達，其工作原理示于下圖153謝謝你的閱讀2019年11月9最近美國Burleigh儀器公司推出一種壓電陶瓷步進馬達，其

總結各種樣品與針尖粗調機構，主要可以分為下三種：（1）爬行方式：利用靜電力、機械力或磁力的夾緊，并配合壓電陶瓷材料的膨脹或收縮，使樣品架或什尖向前爬行，如前所述“虱子”型的樣品移動臺和壓電陶瓷步進電機都屬于這一種．（2）機械調節方式：利用一個或多個高精度的差分調節螺桿，配合減速原理靠機械力調節樣品的位置．當然差分調節螺桿的旋轉可以手動，亦可由步進電機等方式驅動．（3）螺桿與簧片結合方式：用一個高精度調節螺桿直接頂住一個差分彈簧或責片系統來調節．各種方式都各有千秋，第一種方式常在真空條件下使用，第二種方式在大氣環境中用的較多，而在低溫條件下，多采用第三種方式．154謝謝你的閱讀2019年11月9總結各種樣品與針尖粗調機構，主要可以分為下三三．減震系統由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數關系，因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。

155謝謝你的閱讀2019年11月9三．減震系統由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同外界震動如建筑物的震動，通風管道、變壓器和馬達的震動、工作人員所引起的震動等，其頻率一般在1到100Hz之間，因此隔絕震動的方法主要是靠提高儀器的固有頻率和使用震動阻尼系統。

156謝謝你的閱讀2019年11月9外界震動如建筑物的震動，通風管道、變壓器和馬達的震動、工作人掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動所產生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。157謝謝你的閱讀2019年11月9掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的除此之外，儀器中經常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的彈性常數小，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。158謝謝你的閱讀2019年11月9除此之外，儀器中經常對探測部分采用彈簧懸吊的方式。金屬彈簧的159謝謝你的閱讀2019年11月955謝謝你的閱讀2019年11月9在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀器的減震要求。某些特殊情況，對儀器性能要求較高時，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動、空氣震動等干擾信號進行屏蔽，提高探測的準確性。160謝謝你的閱讀2019年11月9在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡儀四．電子學控制系統掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統，因此，電子學控制系統也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統來實現的。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學控制控制系統的框圖。161謝謝你的閱讀2019年11月9四．電子學控制系統掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統，因此162謝謝你的閱讀2019年11月958謝謝你的閱讀2019年11月9該電子反饋系統最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統，即針尖與樣品之間的偏壓由計算機數模轉換通道給出，再通過X、Y、Z偏壓控制壓電陶瓷三個方向的伸縮，進而控制針尖的掃描。電子學控制系統中的一些參數，如隧道電流、針尖偏壓的設定值，反饋速度的快慢等，都隨著不同樣品而異，因而在實際測量過程中，這些參量是可以調節的。一般在計算機軟件中可以設置和調節這些數值，也可以直接通過電子學控制機箱上的旋鈕進行調節。163謝謝你的閱讀2019年11月9該電子反饋系統最主要的是反饋功能，這里采用的是模擬反饋系統，五．在線掃描控制和離線數據處理軟件在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統中，計算機軟件所起的作用主要分為在線掃描控制和離線數據分析兩部分

164謝謝你的閱讀2019年11月9五．在線掃描控制和離線數據處理軟件在掃描隧道顯微鏡的軟件控制（一）在線掃描控制1．參數設置在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機軟件主要實現掃描時的一些基本參數的設定、調節，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數據圖象等。計算機軟件將通過計算機接口實現與電子設備間的協調共同工作。在線掃描控制中一些參數的設置功能如下：165謝謝你的閱讀2019年11月9（一）在線掃描控制1．參數設置61謝謝你的閱讀2019年1“電流設定”的數值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表著恒電流掃描過程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數值設定越大，這一恒定距離也越小。測量時“電流設定”一般在“0.5-1.0nA”范圍內。166謝謝你的閱讀2019年11月9“電流設定”的數值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表“針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用于產生隧道電流的電壓真實值。這一數值設定越大，針尖和樣品之間越容易產生隧道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越小，恒高度掃描模式中產生的隧道電流也越大。“針尖偏壓”值一