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　　摘要:通过对扫描轨道显微镜(STM)工作原理的学习,即量子力学中的轨道贯穿原理。在此基础上,可以了解到本实验将通过扫描轨道显微镜(STM)获取样品表面的微观结构与物质分布,以加深我们对扫描轨道显微镜关于物理研究的理解。

　　扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”,“隧道扫描显微镜”,是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德•宾宁()及海因里希•罗雷尔()在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,两位发明者因此与恩斯特•鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

　　它作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外,扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

　　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。

　　STM与其它微细加工方法相比有其独特的特点。首先,STM可以在各种环境下和在纳米尺度上多表面进行加工。其次,STM是目前能够提供具有纳米尺度的低能电子束的唯一手段,在控制和研究诸如迁移、化学反应等过程中有着显而易见的重要性。自从STM问世以来,STM作为纳米加工的工具的研究已涉及到表面直接刻写、电子束诱导沉积以及单个原子操纵等方面,并取得了一批高水平的研究成果,而用其它实验手段是不可能得到这些结果的。

　　,盒中有下述极残忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰)在盖革计数器中有一小块辐射物质,它非常小,或许在

　　,计数管便放电,并通过继电器释放一锤,,那么人们会说,如果在期间没有原子衰变,:u=e㊉I死猫〉+lg㊉I活猫〉

　　当你掷骰子,,那一瞬间你实际上掷出了每一个状态,,你掷出了1,另一个宇宙里你掷出了2…….然而我们仅能看到全部真实的一小部分--其中一个宇宙.

　　多宇宙认为猫并未叠加,而是分裂成了两只,一死一活,必定有一只活猫!——量子永生,现在假如有一位勇于为科学献身的仁人义士,,必定有一个你看到瓶子碎掉,,看到瓶碎的那位随即就死掉了,什么感觉都没有了,,,从人择原理的角度上来讲,!因为多宇宙和哥本哈根不同,永远都会有一个你活在某个世界!如果多宇宙理论是正确的,那么我们得到的推论是一旦一个意识开始存在,从它自身的角度来看,它就必定永生!

　　在量子力学中,微观体系的运动状态是用一个波函数来描写的,反映微观粒子运动规

　　我们称它为薛定谔方程(Schrodingerequation),式中U(r)是表征力场的函数。如果

　　作用在粒子上的力场是不随时间改变的,即力场是以势能U(门表征的,它不显含时间,这时定态波函数所满足的方程为:

　　称为定态薛定谔方程(Schr6dingerequationofstationarystate*「),其中E表示微观粒子处于这个波函数所描写的状态时的能量,且其能量具有确定值。

　　这种势能分布称为一维势垒。,故称方势垒。虽然方势垒只是一种理想的情况,但却是计算一维运动粒子被任意场散射的基础。粒子在x0区域内,若其能量小于势垒高度,经典物理来看是不能超越势垒达到x0的区域。在量子力学中,情况则不一样。为了讨论方便,我们把整个区域分为三个区域:I(x0),II(0xa),lll(xa)

　　如果粒子能量比势垒高度小得多’即EU0,同时势垒的宽度a不太大’以致

　　(71+3)为恒大于1的数值,当ka1时e2的4kk 3

　　当EU的时候,按照经典力学观点,在EU情况下,粒子应畅通无阻的全部通00

　　过势垒,而不会在势垒上发生反射。而在微观粒子的情形,则会发生发射。当^U的时0

　　候,从解薛定谔方程的结果来看,在势垒内部存在波函数。即在势垒内部找出粒子的概率不为零,同时在xa区域也存在波函数,所以粒子还可能穿过势垒进入xa区域。粒

　　它的数量级接近于1,所以透射系数随势垒的加宽或加高而减小。由上面的结果我们可以看到,微观粒子被势垒散射有与宏观粒子完全不同的效应。当

　　一个宏观粒子的能量E大于势垒高度U时,此粒子将通过区域(II)而进入区域(III)。

　　但是对于一个能量EU的微观粒子,不但有穿过势垒的可能,而且还有被反射的可能。

　　如果一个宏观粒子的能量EU,则当此粒子在区域(I)内由左向右运动到达势垒边

　　界时将被反射,所以粒子不可能穿过区域(II)而进入区域(III)。但是对于一个EU

　　的微观粒子却不然,它既有被反射的可能,也有穿透势垒而进入区域(III)的可能,这种贯穿势垒的效应称为隧道效应。

　　三、隧道效应的应用一一隧道扫描显微镜(scanningTunnelMicroscope)

　　扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理,通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

　　根据量子力学原理,由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限于金属表面之内,电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰减,衰减长度约为lnm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针,将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离Vlnm)时,两者的电子云略有重叠。若在两极间加上电压U,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间的势垒,通过电子云的狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离s以及样品表面平均势垒的高度职有关,其关系为g站斫,式中a为常量。如果s以鳥口为单位,卩以eV为单位,则在真空条件下,A“』戻吳一国。

　　由此可见,隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离s极为敏感,,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时,即使其表面只有原子尺度的起伏,也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机,在屏幕上即显示出样品的表面形貌。

　　一般说来,扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。

　　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,如右图所示,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。

　　STM有两种工作方式。一种称为恒电流模式,如下左图所示。利用一套电子反馈线路

　　控制隧道电流I,使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,即是使针

　　流I不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动,高度的信息也就由此反映出来。这就是说,STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面,显微图象质量高,应用广泛。

　　另一种工作模式是恒高度工作,如上右图所示。在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离s将发生变化,隧道电流I的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化,并转换成图像信号显示出来,即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。