Double or Multiple Tips Double or multiple tip images are formed with a tip with two or more end points which contact the sample while imaging. The above imagesｍ
高真空
室温
小
１０ｍｍ （１０倍时） １ｍ（１０ ００倍时） 原子厚度
原子级
超高真 空
３０～ ８０ｋ
有
扫描隧道显微镜 (1981)
tip
A
tunneling current
10A
sample
隧道电流

A＝3
分辨率
=A +)
I e2d
0.05nm
(nm) 0.1 eff
•可离线处理 •可改变色阶
GdC82- Peapod
具有空间分辨的局域电子态
dI/dV (A.U.)
dI/dV
0.3 eV
(A.U.)
0.5 eV
-0.4
-0.2 0 0.2 Sample Bias (V)
0.4
-0.4
-0.2 0 0.2 Sample Bias (V)
0.4
Khang et al., Korea Univ.
HL-II 型扫描探针显微镜 •长度定标功能
•高度定标功能
HL-II 型扫描探针显微镜
局限性与发展:局限

不能准确探测微粒间的某些沟槽 要求样品必须是导体、半导体
局限性与发展:发展



AFM (Atomic Force Microscope) LFM (Laser Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) BEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope) SICM (Scanning Ion-Conductance Microscope) STP (Scanning Tunneling Potentiometry) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope)
压电陶瓷：压电现象
l d 31V (l / t )
t d 33V
隧道针尖：

隧道针尖结构的影响 制备针尖的方法：电化学腐蚀法、机械 成型法
STM仪器：隧道针尖结构的影响
Schematics and Image Profiles of Spheres Scanned with a Sharp (left) and Dull (right) Probe
谢 谢！
In Touch with Atoms
• The accumulation of debris on the end of the tip can also dull the tip and result in image distortion, as shown below.
Schematic and Image Profile of Trenches Scanned with a Dirty Tip
原理：
I V b exp( A S )
1 2
STM仪器：



电子反馈系统控制隧 道电流 计算机控制针尖扫描 针尖将随样品表面起 伏而起伏 得到表面的第三维信 息
STM仪器：

振动隔绝系统


合成橡胶缓冲垫 弹簧悬挂 磁性涡流阻尼 压电陶瓷

机械设计



隧道针尖 计算机控制系统
Dull or Dirty Tip If the tip becomes worn or if debris attaches itself to the end of the tip, the features in the image may all have the same shape. What is really being imaged is the worn shape of the tip or the shape of the debris, not the morphology of the surface features.
扫描隧道显微镜 分析原理及方法
Scanning Tunneling Microscope STM
概述 优点与应用 原理 STM仪器 局限性与发展

概述：
1933年，德国和等人在柏林制成第一台电 子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分 析的现代仪器先后问世。如：TEM、SEM、FEM、 FIM、LEED、AES等。1982.年，国际商业机器公 司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和 Heinrich Rohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一 台新型的表面分析仪器——STM。它的出现使人 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理、化学性 质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的 研究中有着重广阔的前景，被国际科学界认为八 十年代世界十大科技成就之一。

硬件 软件
机械设计：
在理想的机械设计中应满足如下要求：





在ｚ方向的伸缩范围至少为１ｍ，精度约为０。 ０１ｎｍ 在ｘ和ｙ方向的扫描范围至少为１ｍｘ１ｍ， 精度应在左右０。０１ｎｍ 在ｚ方向机械调节的精度应高于０。１ ｍ， 其精度至少应在压电陶瓷驱动器方向长度变化 范围内，这个变化范围由驱动点压和压电陶瓷 材料的压电系数所决定。机械调节的范围应在 １ｍｍ以上 能在较大的范围内选择感兴趣的区域扫描 针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定 性，即具有较高的机械振动频率
Loose debris on the sample surface can cause loss of image resolution and can produce streaking in the image. The image on the left is an example of the loss of resolution due to the build up of contamination on the tip when scanning from bottom-to-top. The image on the right is an example of skips and streaking caused by loose debris on the sample
DNA双螺旋结构
红细胞三维图像
细胞膜的表面结构
细胞生长
ＳＴＭ与ＥＭ、ＦＩＭ的各项性能指标比较
分辨率 工作环 境 样品环 境温度 对样品破 坏程度 无 检测深度
Ｓ Ｔ Ｍ Ｔ Ｅ Ｍ Ｓ Ｅ Ｍ Ｆ Ｉ Ｍ
原子级 实环境、 室温或 （垂直０。０１nm）大气、 低温 （横向０。１nm） 溶液、 真空 点分辨（０。３～ ０。５ｎｍ） 晶格分辨（０。 １～０。２ｎｍ） ６～１０ｎｍ 高真空 室温
AFM
HL-II 型扫描探针显微镜
探头
•集STM, AFM为一体 •扫描范围可
手工粗调
•样品厚度可 达10mm 演示文稿3.ppt
我国扫描探针显微镜开发和生产
1987年依托在中国科学院北京科仪中心的 中国科学院北京电子显微镜实验室和化学所研 制完成了我国第一台扫描隧道显微镜。此后， 化学所，北京大学,上海原子核研究所等十余个 单位也制成了各种STM；化学所又研制成我国第 一台原子力显微镜；中科院北京电镜室和大连 理工大学开发了我国第一台光子扫描隧道显微 镜。中国科学院化学所本原显微仪器开发中心， 中科院电工所中科机电设备公司和上海爱建纳 米科技发展有限公司等正在生产扫描探针显微 镜。估计全国至今生产了一百余台扫描探针显 微镜。
优点与应用：



具有原子级高分辨率。表面原子结构的研究：表 面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实 时观测性可用与表面扩散等动态过程的研究 工作环境范围广。真空、大气、常温。水或其它 溶液。因此特别适用于研究生物样品和在不同实 验条件下对样品表面的评价，如对多相催化机理、 超导机制、电化学反应过程中电极表面的监测等 配合STS 可以得到有关表面电子结构的信息。 表面态的研究：表面电子态密度、表面电子阱、 电荷密度波、表面势垒变化和能隙结构等
计算机控制系统：硬件
计算机控制系统：软件

扫描

表面扫描 扫描隧道谱 功函数谱 定标视图 滤波 对比度拉伸 三维表面显示

定标


图象处理


纳米加工
HL-II 型扫描探针显微镜
•操作界面 for windows 9x
•使用方便 •帮助系统完善 •参数实时调节 •多通 道采集
•参数自动保存