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STM 扫描隧道显微镜简介 扫描隧道显微镜 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼和海·罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（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20世纪80年代世界十大科技成就之一。 扫描隧道显微镜的理论基础是隧道效应和隧道电流。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V0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。将极细探针（针尖头部为单个原子）和样品作为两个电极，当针尖和样品表面靠得很近，即小于1 nm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偏振电压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的隧道电流。隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。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，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。 扫描隧道显微镜的系统结构包括主体探测系统（探针和三维扫描控制器），减震系统，电子学控制系统，计算机控制系统。 针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状以及纳米操控加工能力，而且也影响着测定的电子态。探针要求： 1.针尖足够尖锐即顶端角度小，其圆弧半径要小于亚微米级，甚至达到分子、原子级，才能适应高分辨率要求，保证隧道电流稳定性。2.探针的材料要有一定的机械以及物理化学性能，良好的稳定性；3.探针的制备要??简单、可靠，对探针几何形状能够进行一定的检测或控制；4. 符合测试目的需要，扫描隧道显微镜 的探针要求导电。常用针尖制备方法：化学腐蚀法和机械成型法。针尖表面往往覆盖着氧化层或吸附一定的杂质，造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。 三维扫描控制器的作用是控制针尖在样品表面进行X,Y,Z三方向高精度的扫描。普通机械的控制是很难达到精确控制的要求。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种： ①三脚架型②单管型③十字架配合单管型。 由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。实验中，震动和冲击是必须隔绝的两种类型的扰动。振动隔绝是主要的。隔绝振动的方法主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。目前实验室常用的减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂等综合减震措施。STM的底座常常采用金属板（或大理石）和橡胶垫叠加的方式，每层金属板之间放置三个合成橡胶制成的小圆柱。除此之外，仪器中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式。在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合其它减震措施。测量时，探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。 计算机控制系统：参数设置：隧道电流：0.5~1.0 nA，偏压：50~100 mV，Z电压：初始值一般设定在-150.0 mV~ -200.0 mV，工作模式：恒流型或恒高型，输出方式：图像型或曲线型，扫描速度、角度走向、扫描尺寸、往复扫描等。离线数据分析是指脱离扫描过程之后针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。 扫描隧道显微镜的工作模式有恒电流模式和恒高度模式。恒电流模式指的 是在x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，控制隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就上升起；反之，样品表面凹进时，反馈