YYVIP易游扫描隧道显微镜

　　YYVIP易游官网YYVIP易游官网YYVIP易游官网YYVIP易游官网YYVIP易游官网恒流工作模式可用于 起伏较大的表面，是 最常用的模式。恒高 模式则是在扫描时保 持针尖的高度不变 (间距S在变)，观测 隧道电流的变化与X 和Y位置的关系。

　　这也反映出表面形 貌的变化，这种模 式可以扫描较快， 但对起伏较大的表 面，扫描时针尖易 与表面相碰使针尖 损坏。

　　STM仪器为了实现原子级分辨率，需要解决 诸如隔绝振动、机械设计、电路及样品制备中 的一系列技术关键。

　　(1)具有原子级的分辨率，横向和纵向分辨率分 别可达到0.1nm和0.01nm，可分辨单个原子。

　　(2)可实时地直接得到实空间中的表面三维图像， 可研究具周期性或不具周期性的表面结构，配合 隧道谱(STS)和功函数，可以得到表面电子结构 的信息，甚至可直接观察到表面单个的键。

　　(3)可观察表面局域的原子结构或电子结构，而 非平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面 重构、表面吸附物的形态和位置、以及由吸附引 起的表面重构等。

　　(4)可以在真空、大气、常温、低温等不同环境 下工作，还可以在液体环境下工作，制样技术比 较简单；

　　(5)对样品表面的测量是非破坏的，因为针 尖在距样品约lnm处扫描，偏压很小，隧道电 流亦很小，因此对表面不造成损伤。

　　STM的工作模式一般 有恒流模式和恒高模 式两种(见图)。恒流 模式是扫描(针尖X和 Y位置变化)时随着表 面的起伏不断调节Z 方向压电陶瓷上的电

　　记 录 下 高 度 Z( 与 压 电陶瓷电压关联)的 变化与X和Y位置的 关系，即可得到有

　　场离子显微镜虽可达到原子级分辨率，但 也只能在超高真空和高电场条件下观察少数 几种高熔点金属针尖的表面结构。

　　扫描电镜虽然较容易在真空条件下观察固 体样品的表面形貌，但分辨率只能达到几十 纳米，远远达不到原子级分辨。

　　低能电子衍射虽然可以在超高真空条件下测 得单晶表面原子级的结构，但低能电子衍射图 提供的是倒易空间的结构信息，需要通过傅氏 变换才能得到实空间结构。

　　电子系统的主体是电流负反馈控制线路，在 恒流模式下，隧道电流经前置放大器，再经对 数放大器进行线性化，并与参考电流进行比较。

　　其差值经过比例积分后，放大再加到 Z 压电 陶瓷上以调整针尖与样品表面间距使隧道电流 维持不变。

　　在真空中进行金属、半导体的清洁或吸附表 面的研究时，和其它表面技术一样有一些通用 的处理方法，如真空劈裂、高温退火、离子溅 射等，以获得清洁干净的表面。

　　STM探针与样品距离只有约lnm，间距变化 10-2nm则隧道电流变化约一个数量级，极微小 的振动都会对STM的测量产生严重的影响。

　　因此STM仪器防振、减振要求很高，通常要 求振动幅度小于l0-3nm。振动的隔绝可用磁阻 尼、空气阻尼、弹簧和橡胶垫等。

　　针尖驱动器和样品台设计要求刚性好，有高 的共振频率，避免振动干扰。X-Y-Z的扫描微 动精度要求很高，采用压电陶瓷施加适当电压 来实现。

　　电子波函数随离开表 面的距离呈指数衰减来自 隧道电流对针尖和样 品间的距离的变化十 分敏感。

　　STM 就 是 利 用 针 尖 与样品间施加微小电 压时隧道电流随它们 的间距变化十分灵敏 这一效应，用针尖在 表面扫描，测量表面 原子排列造成的微小 起伏引起的隧道电流 的变化，即可获得原 子级分辨率的表面结 构信息。

　　所得的只是表面平均结构而非局域的结构， 而且由于电子在固体中的多重散射，使低能电 子衍射的数据处理十分复杂。

　　扫描隧道显微镜(STM)出现于1981年，是一 种新型的研究表面结构的有力工具。

　　它能够以原子级的分辨率观察表面的原子结 构和电子行为，在表面科学、材料科学和生命 科学中有着广阔的应用前景。

　　在过去几十年中，人们花了很大精力先后开 发电子显微镜、场发射显微镜、场离子显微镜、 扫描电镜和低能电子衍射等技术，可以探测一 些表面结构信息。

　　透射电镜只能在真空条件下观察极薄的样 品，观察的是整体的结构投影，只有少数情 况下可获得原子级分辨率的图像。

　　场发射显微镜只能观察少数几种高熔点金 属针尖的表面结构，分辨率只有几个纳米。

　　但根据量子力学，电子 具有波动性，电子能够以 一定几率穿过势垒，这就 是所谓的隧道效应。

　　例如，当一个金属针尖 和一个导电样品很接近时 (相距约lnm)，尽管两者间 仍是一很薄的绝缘层，有 较高的势垒，但两者波函 数已有一定程度的交叠。

　　把针尖和样品作为两个 电极，加上微小的电压， 电子即可穿过其间的势垒 产生所谓隧道电流。

　　材料的表面和界面结构与材料的许多性能有 重要关系，研究表面结构对改进材料的性能和 开发研制新材料有很大意义。

　　还可用高定向热解石墨(HOPG)及MoS2或单 晶金作为载体，它们表面平整度很好，可以载 负生物或有机分子进行研究。在空气中则多用 这类载体，载负某些分子进行研究。

　　可使针尖被驱动，也可使样品被驱动，Z方向 的伸缩范围约μm，分辨率达10-3nm；X-Y方 向的扫描范围至少μm，精度达10-2nm。

　　使针尖和样品接近而又不相互碰撞，需要 粗调装置，粗调到Z压电陶瓷能用电压调 节的区域(一般几十纳米)，然后通过Z压 电陶瓷细调到产生所需隧道电流的状态 (约 l nm)。

　　图中针尖与样品间隔 占约lnm，针尖与在X、 Y和Z三个方向上互成 直角的三根压电陶瓷 相连。电压改变时， 压电陶瓷即伸长或收 缩，其灵敏度或分辨 率可达10-2nm。

　　电陶瓷的电压，针尖 即可在XY平面上扫描； 改变Z方向上的电压， 针 尖 即 可 在 纵 向 (Z 方 向)升降使针尖与样品 间距离改变。