STM

扫描隧道显微镜(STM)——叶锦绣STM产生背景隧道效应的产生原理（什么是隧道效应）STM的特点及优越性STM结构STM应用范围主要内容：隧道效应隧道效应在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。隧道电流的产生当样品与针尖的距离非常小（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级，而产生隧道电流。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，与针尖的样品之间距离S和平均功函有关。3.扫描隧道显微镜（STM）原理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。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，利用隧道效应：（当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），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，在探针和试件间会产生一微弱电流，也就是隧道电流。）由此公式可知，隧道电流与间距S成指数关系，I对S的变化非常敏感。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行貌图。STM工作模式STM的特性优点1.STM最值得称道的特性，是它具有极高的空间分辨率。一般来说，垂直分辨率达0.01nm，具有当代最高测试精度。2.STM的另一显著特性，是它可在多种环境中使用。它不仅能在真空中观测，而且在大气中，在液体中乃至许多气体中也能进行观测；它不仅能在常温，而且在高低温下也能使用。3.无需任何透镜，体积小，有人称之为“口袋显微镜”4.扫描隧，显微镜可直接探测样品的表面结构，可绘出立体三维结构图像分辨率工作环境样品环境温度对样品破坏程度STM原子级（垂直0.01nm，横向0.1nm）大气，溶液真空室温或低温无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。2、扫描隧道显微镜(STM)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。局限性STM由探针，扫描机构、粗动机构、除振系统等机械机构和控制、测试、信号处理等电子系统构成。1.探针，一般用钨或铂等材料制作，对探针尖端形状要求由测试对象决定。表面性状测试要求尖端半径在0.1μm以下。观察表面原子像要求尖端由一个原子构成。目前采用的方法是先进行精细的机械研磨，再作电解研磨。STM的结构2.扫描机构，主要由压电陶瓷元件构成。控制加在压电陶瓷元件上电压的大小，可实现扫描范围的变化。大范围扫描采用层迭柱形压电元件，小范围扫描采用薄壁圆筒形压电陶瓷元件。压电元件振荡频率应在1~20KHz之间，使之不会干扰扫描速度的变化。3.粗动机构的作用，是把探针和试件表面的间距从几毫米缩小到1nm，并能保持试件的精确定位。根据观察对象和观测环境不同选择不同机构。STM应用扫描STM工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测。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。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。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。用STM移动氙原子排出的“IBM”图案