T与势垒宽度a、能量差（V0－E）以及粒子的质量
m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加，T将指数 衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势
垒的现象。
（2）隧道电流
扫描隧道显微镜是将原子线度的探针和样品表 面作为两个电极，当样品和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 穿过两电极之间的势垒流向另一电极，从而形成隧 道电流。因此，STM图像是样品表面原子几何结构 和电子结构的综合效应的结果。
控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下 扫描过程中探针尖端和样品表面的相互作用，就能得到 样品表面的相关信息。
利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于 控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的 尖锐度）。
SPM的特点
原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 观察单个原子层的局部表面结构 ; 可在真空、大气、常温等不同环境下工作; 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同
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 究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科 学界公认为二十世纪八十年代世界十大科技成 就之一。
Gerd Binning (IBM) (1947-)
Heinrich Rohrer (Zurich) (1933-)
In Touch with Atoms
In Touch with Atoms
美国商用机 器公司利用STM 直接操作原子， 成功地在Ni上， 按自己的意志安 排原子合成IBM 字样。
STM的优点
1. 高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm； 2. 可实时地得到在实空间中表面的三维图象； 3. 可观察单个原子层的局部表面结构； 4. 可在真空、大气等不同环境下工作，甚至可将样品浸在
力
0.1nm （原子 级分 辨率）
磁性探针－样品间的磁力
10nm
带电荷探针－带电样品间静电力 1nm
近场光学显微镜 SNOM
光探针接收到样品近场的光辐射 100nm
备注
统 称 扫 描 力 显 微 镜 SFM
扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope)
扫描隧道显微镜 STM
溶液中，其工作温度可以在mK到1100K范围，并且探 测过程对样品无损伤； 5. 通过针尖与样品间的电学和力学作用，可以进行样品表 面的原子操纵或纳米加工，构造所需的纳米结构； 6. 配合扫描隧道谱STS可得到有关表面局域电子结构的信 息。
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。
层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表 面势垒的变化和能隙结构等 。
Байду номын сангаас
SPM分类
名称
检测信号
分辨率
扫 描 探 针 显 微 镜
SPM
扫描隧道显微镜 STM
原子力显微镜AFM
横向力显微镜LFM
磁力显微镜MFM 静电力显微镜EFM
探针-样品间的隧道电流
探针－样品间的原子作用力 探针－样品间相对运动横向作用
扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂― 铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。
1、隧道电流
（1）隧道效应
对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的 高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零；
而按量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零， 也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这种现象称 为隧道效应。
隧道电流I是针尖的电子波函数和样品表面的电子波 函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功 函数Φ有关。
1
I Vb exp( A 2 S )
Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压， Φ[ =(Φ1 +Φ2)/2]是平均功函数,Φ1和Φ2分别为针尖和 样品的功函数， A为常数，在真空条件下约等于1。
STM的工作原理示意图
y
x
z
VT , I r
反馈回路
S
样品与针
B
尖间距
原子尺度 针尖
A
被分 析样
品
扫描模式
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。
（a）恒电流模式；
（b）恒高度模式
STM的仪器构造
STM Instrumentation
穿过的概率和距离有关，距离越近，穿过的几率越大。当两 个电极相距在几个原子大小的范围时，电子能从一极到达另 一极，几率和两极的间距成指数反比关系。
扫描隧道显微镜（STM）的工作原理是基于量子力学 的隧道效应。
V0
E
a
量子力学中的隧道效应
透射系数
T

16E（V0 V02

E）e
2a
2m(V0 E)
STM由具有减振系统的 头部(含探针和样品台)、 电子学控制系统和包括 A/D 多功能卡的计算机组 成。
• Tip • Scanner • Sample positioner • Vibration isolation • Control electronics
扫描探针显微镜
（Scanning Probe Microscope，SPM）
刘东
显微镜发展历史
第一代：光学显微镜(1676) 第二代：电子显微镜(1938) 第三代：扫描探针显微镜SPM （1982）
扫描探针显微镜
SPM(Scanning Probe Microscope) 是扫描隧道显微镜 STM及原子力显微镜AFM，激光力显微镜LFM，磁力 显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析 仪器。
由上式可知，隧道电流I对针尖和样品之间的距离 S有着指数的依赖关系，距离S每减小0.1nm，隧 道电流就增加一个数量级。
如果利用电子反馈线路控制隧道电流恒定不变， 当针尖在样品表面扫描时，探针就会随样品表面 高度的变化而上下波动，将这种高度的变化记录 下来就得到样品的表面形貌，这就是STM的工作 原理。
扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope) 1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司
苏黎世实验室共同研制成功了第一台 ，因此获 得1986 年的诺贝尔物理奖 。 STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌 和结构的。
扫描隧道显微镜 STM出现的意义