最后更新: 2025-11-11 14:01 查看: 24 次纠错评论(0) 课件开VIP

薛定谔方程应用-扫描隧道显微镜简介

5．扫描隧道显微镜简介
扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）是一种扫描探针显微术工具，它是人类第一次能够比较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。它是苏黎世 IBM 实验室的科学家宾宁（G．Binnig）和罗雷尔（H．Rohrer）在1981年发明的，他们因此获得1986年诺贝尔物理学奖。STM 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 由若干部分组成，包括隧道针尖、三维扫描控制器、减震系统、电子学

控制系统、在线扫描控制和离线数据处理软件等，如图 3.9 所示．

![图片](/uploads/2025-11/c7ee18.jpg)
 
STM 的工作原理简述如下：当原子尺度的针尖扫描基底时，针尖端点原子与基底之间距离不到 1 nm ，此处电子云重叠，外加一电压（ $2 \mathrm{mV} \sim 2 \mathrm{~V}$ ），针尖与样品之间因量子隧道效应而产生隧道电流。针尖与基底之间的距离可视为一个势垒，电流强度和针尖与基底间的距离有函数关系，当探针沿基底表面按给定高度扫描时，因基底表面原子排列高低不同，探针与基底表面间的距离不断发生改变，从而引起隧道电流不断发生改变．将电流的这种改变图像化，即可极其细致地探出基底表面原子分辨率轮廓，得到高分辨率照片。

STM 在微结构探测和制造方面有诸多独特的优越性。首先，采用 STM 探测可获得原子尺度的高分辨率，其在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别达到 0.1 nm 和 0.01 nm ，可得到实空间中样品表面的三维图像．其次，它可被用于观察材料表面的重构、表面吸附体的形貌和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。而且，STM 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术．STM 探测过程对样品无损伤，例如它可被用于拍摄活细胞照片等。此外，配合扫描隧道谱（STS），可以得到有关表面电子结构的信息，如表面不同层次态密度、电荷密度波、表面势垒演化和能隙结构等．后来，
还发展了利用 STM 针尖实现对原子和分子的移动和操纵技术，为纳米科技的全面发展奠定了基础。

当然，STM 也有其局限性．首先，它所观察的样品必须是具有一定程度导电性的导体；对于半导体，观测效果要差一些；对于绝缘体，则根本无法直接观察，因为没有隧道电流．其次，对针尖扫描速度有限制，一般扫描一幅图需数分钟时间．因此，对于表面微结构变化较快的样品，必须降温以减慢其变化速度，否则 STM 是无能为力的。

STM 原理及技术发明之后，又发明了原子力显微镜（AFM）和磁力显微镜 （MFM），它们可弥补 STM 的某些缺陷，可以探测绝缘体、磁畴分布等．

迄今为止，扫描隧道显微镜的应用远远不止原子分辨率显微，还包括探伤及修补、移动或刻写样品、原子或分子操作、诱导化学反应等，在表面科学、材料科学、化学化工、生命科学等领域的研究中有着广泛的应用．

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