STM发明历史
亨利克.罗雷尔 Heinrich Rohrer
杰德.宾尼 Gerd Binning
1982年于IBM实验室发明了首台STM 1986年获得了诺贝尔物理学奖
一.基本工作原理
量子隧道效应
针尖
样品 平行金属板间的隧道效应
STM： 是利用隧道电流对距离的敏感 来设计的，通过采集针尖和样 品表面原子间的隧道电流来表 征材料的表面形貌的
据在样品和探针尖之间电子云是电子位置具有不确定性 的结果，这是其波动性质决定的。导体的电子是”弥散” 的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度 随距离的增加而指数式地衰减。这样，通过电子云的电 子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。探针在 表面上扫描时，有一套反馈装置去感受到这一电子流 （叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的 恒定高度上。探针尖即以这种方式描过表面的轮廓。读 出的针尖运动情况经计算机处理后，或在银幕上显示出 来，或由绘图机表示出来。使针尖以一系列平行线段的 方式扫描，使可获得高分辨率的三维表面图像。
可在各种气氛（真空、空气以及特殊 的气氛）和下进行，工作温度可变
STM的适用范围
探测导电（导体）或弱导电 （半导体）的样品
可以通过镀金膜来探测不导电的样品
缺陷： (1) 金膜掩盖样品表面的本征特性 (2) 若金膜不平整得不到样品表面 的真实形貌
原子力显微镜(AFM)
z 原理 z 设备 z 应用
AFM的工作原理
第三章
扫描探针表征
(Scan Probe Characterization)
扫描探针显微镜系列 Scan Probe Microscope（SPM）
• 扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscopy (STM) • 原子力显微镜 Atomic Force Microscopy (AFM) • 磁力显微镜 Magnetic Force Microscopy (MFM) •…………
STM 结构及原理（电子云概念）
隧道电流的变化曲线
Ro与样品表面相关的参数； ∆Z有0.1nm的变化； ∆ IT即有数量级的变化
隧道电流的变化曲线
扫描隧道显微镜的原理结构
• 极细探针与研究物质作为两个探极。
扫描方式
恒高模式
恒流模式
• •
恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于 1nm 的样品。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 隧道针尖
• STM技术中的主要问 题。 • 钨针尖的制备：电化 学腐蚀方法：NaOH • 铂铱合金针尖的制备： • 机械成形法：剪切法 • 针尖的保存。
STM针尖的制备
铂铱丝
三. 应用
• 金属和半导体表面的STM研究： • 研究表面上发生的物理与化学过程。 • 物理例如：晶体生长过程、表面物质沉积 过程。 • 表面化学反应。
压电陶瓷步进马达扫描控制器：
• 压电现象：某种晶体机械力—形变——电 场——x,y,z扫描控制器件。 • 压电陶瓷材料
二.实验操作
• 一.针尖的制作： • 二.针尖的安装： • 三.实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道 电流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。 • 四.逼近隧道区（隧道电流） • 五.扫描：观察图象、调整电流、偏压等。
隧道电流对距离非常敏感
• 量子理论中的隧道效应。 • 极细探针与研究物质作为两个探极。 • 隧道电流：
1 I ∞ V b exp( − A φ 2 s )
扫描隧道显微镜（STM）是如何工作的？
工作原理——量子力学的隧道效应
Z<1nm IT ∝V·e-K0Z Z：间隔距离 V：偏压
STM的工作原理:是电子的隧道贯穿，电子云占
显微镜的发展史
第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是200纳米。
透射电子显微镜Transmission Electron Microscope （TEM）， 分辨率0.2nm 扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope （SEM）， 分辨率6-10nm Scanning Tunneling Microscope （STM），分辨率达到0.01纳米
• 1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟 槽不能够准确探测。恒高模式下，需采用 非常尖锐的探针。 • 2.样品必须具有一定程度的导电性。
STM扫描图像处理
光栅三维图像
用STM得到的形貌图
点缺陷
高序石墨
碘原子
通过STM实现原子操控
Fe-circle on the surface of Cu
Xe－IBM
振动隔绝系统
• 工作针尖与样品间距小于1nm.隧道电流与 间距成指数关系。 • 恒流模式中，表面起伏通常为0.01nm,振动 引起小于0.001nm. • STM减震系统设计主要考虑低频：1-100HZ • 防振：1.提高仪器的固有振动频率. • 2.使用振动阻尼系统。
减震系统：
• 减震考虑：1-100HZ之间的振动。 • 提高系统固有振动频率。 • 橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻尼。
远场显微镜 近场显微镜
第二代显微镜：电子显微镜
第三代显微镜：扫描探针 显微镜（Scanning Probe Microscope，SPM）
Atomic Force Microscope （AFM） Magnetic Force Microscopy（MFM）
……
§1.扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscopy (STM) z 原理 z 操作 z 应用
扫描遂道显微镜（STM）独特优 点：
1.具有原子高分辩率。 2.可实时得到在实空间中表面的三维图象； 3.可以观察单个原子层的局部表面结构。 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工 作；甚至水中。对样品无损。 • 5.可得到表面电子结构的信息。（配合扫描 隧道谱）。 • • • •
STM的局限性与发展
原子力显微镜: 利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。
AFM的工作原理
在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物 之间相互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。
接触
间歇接触
非接触
AFM 的类型
AFM扫描方式
AFM的优点：并不像STM那样只局限于探测导电的样 品，它也可用于非导电的样品，尤其是可探测生物样品。 用AFM得到的形貌图