扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜STM的优势与局限性4STM的工作方式3STM的工作原理2STM的介绍1ContentsSTM的应用5一、扫描隧道显微镜的发明

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（ScanningTunnellingMicroscope，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，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．为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金．世界上第一台扫描隧道显微镜Z二、STM的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。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。二、STM的工作原理隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。二、STM的工作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，即电子隧穿。二、STM的工作原理扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近，所以它们之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏置电压Vb(2mV-2V)时，电子就可以因量子隧道效应由针尖(或样品)转移到样品(或针尖)，在针尖与样品表面之间形成隧道电流。二、STM的工作原理隧道电流i可以表示为：

it∝exp[(-4Sπ/h)(2mΦ)1/2]式中：s为通道宽度（针尖与样品表面之间的最短距离），一般为0.3-1.0nm；h为普朗克常数，在真空条件下约等于1；Φ为能垒高度（针尖与样品的平均功函数）；m为电子质量。由于隧通电流i与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系，所以，电流i对针尖和样品表而之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.1nm，隧道电流i将会增加10倍；反之，如果距离增加0.1nm，隧道电流I就会减少10倍。

二、STM的工作原理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，以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等。

放大器二、STM的工作原理常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。三、STM的工作方式恒电流模式恒高度模式

三、STM的工作方式恒电流模式三、STM的工作方式

恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷Px和Py控制针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息(该信息反映样品表面的起伏)，就可以得到样品表面的原子图像。由于恒电流模式时，针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动．针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面。所以恒电流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。三、STM的工作方式恒高度模式在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。四、STM的优势1、具有极高的分辨率：水平横向0.1nm，垂直方向0.001nm.2、得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象3、使用环境宽松：STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空状态下工作。4、应用领域是宽广的：对样品表面也没有特殊要求，可以观测单晶、多晶、非晶以及纳米相样品。STM还可以方便地与其他的表面分析和电子分析等仪器结合，使其应用范围更加广阔，更加有效。

5、价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的四、STM的局限性1、扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，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.2、扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。3、扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。五、STM的应用STM最重要的用途在于纳米技术上在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。

STM直接观察表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究深入地进行.利用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构．考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。五、STM的应用实现了单原子和单分子操纵

利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式。通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面。Fe原子在Cu基板上原子像氙原子在Ni板上，安排原子合成IBM字样摘要：摘要：采用扫描隧道显微镜（STM）对射频等离子法制备的聚丙烯腈（PAN）基预氧化纤维的表面超微结构进行了研究，定性了预氧化纤维的三级结构单元。结果显示：在微米尺度下，预氧化纤维表面分布有粗细不一、沿轴向排列的带状微纤，微纤之间相互交叉；在纳米尺度下，观察到微纤由相互缠结、紧密排列的超微纤组成，随着扫描范围的逐渐缩小，进一步看到超微纤由堆积起来的细小微晶组成；在原子级尺度上，微晶表面碳原子与高取向热解石墨（HOPG）相比不很规则，但具有取向排列趋势。关键词：射频等离子法；预氧化纤维；超微结构；扫描隧道显微镜实验将PAN原丝在富氧溶剂H2O2中浸泡0.5h—1.5h后，均匀填放在密闭介质容器中，并置于平行板电容器内加载射频电压，在50V/cm—500V/cm的射频电场下极化处理10min—30min，使富氧溶剂中的氧随极化运动渗入原丝内部参与氧化反应。预处理的原丝引入一特制的射频等离子石英管，在氧等离子体介质中进行预氧化。等离子体装置中分布有连续式三段相继排布的温区，在180—260摄氏度范围内控制温度，使原丝在牵伸作用下经过不同温区，达到纤维内外氧化充分，形成表里一致的均质化效果。同时采用屏蔽手段防止等离子体对纤维表层的刻蚀。预氧化纤维的表面形貌观察在AJ—I型扫描隧道显微镜（上海爱建纳米科技发展有限公司生产）上进行。将纤维理成小束，拉直平铺于一圆形小铁片表面，两端用导电银胶固定，滴加酒精润湿、分散，自然干燥。Pt/Ir针尖采用恒流模式，在室温、大气条件下观察。结果与分析图1微米尺度下PAN基预氧化纤维的表面结构（a）SEM照片，（b）STM图像图3高取向热解石墨的原子级STM图像（4.87nm×4.87）图4PAN基预氧化纤维表面的原子级STM图像（a）4.99nm×4.99nm（b）2.12nm×2.12nm结论采用STM对射频等离子法制备的PAN基预氧化纤维表面进行了超微结构研究，定性了预氧化纤维的主要结构单元。认为组成预氧化纤维的最大结构单元是单根原纤；原纤由粗细不一、沿轴向交错排列的带状微纤组成，微纤是组成预氧化纤维的