扫描隧道显微镜

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1、扫描隧道显微镜【作者】周朝健（08180139）物理081【摘要】隧道扫描显微镜是利用量子力学中的隧道贯穿原理，根据物质表面出现电子的几率随着离开表面距离的变化符合负指数的变化，显微镜探测针头将从物质表面搜集到的散逸出来的电子产生的电流信号用以描述物质表面情况，以此达到观察物质微观结构的目的。【关键词】扫描隧道显微镜、隧道效应。【正文】原子是生化层面上物质组成的最小单位。在人类认识世界的进程中，人们发现了各种元素的特性以及不同元素之间的规律，物质组成的规律，物质转化的规律等等，并继续不断研究以逐步完善着这个知识体系。此类研究曾一度陷入瓶

2、颈，问题的关键在于科研仪器的限制，就像多年以前，人们只能猜测原子的结构，并产生了多种说法。随着科学技术的发展，如今，人们已经可以清楚的观察原子的外貌，甚至可以凭意志去操控单个原子。这对于人类改造自然的事业来说是一种质的跨越。而这一切主要归功于显微技术的发展。1981年，格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔（H．Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜，利用扫描隧道显微镜，人们不仅可以观察到材料表面的原子或电子结构，甚至可以通过一定的手段操控原子，这使得人类在微加工技术方面获得了飞跃性的突破。

3、量子力学中的隧道贯穿原理是扫描隧道显微镜工作的理论基础。所谓隧道贯穿原理就是电子具有波动性，在空间中出现与否存在几率性。根据薛定谔方程，电子穿透高于本身能量的势垒的几率不为零且随着其出现位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。正是由于电子隧道贯穿的几率与势垒宽度呈现负指数关系，如果用一接收器在同一平面搜集溢出物质表面的电子，得到的电信号就能反映物质表面的起伏情况了。下面来简单概括一下扫描隧道显微镜的各组成部分：（1）隧道针尖用于接收溢出物质表面的电子。其作用要求针尖的大小、形状、化学性以及共振频率等等方面都有严格的标准限制，并在使用前

4、也要进行小心的清洗、加工等步骤。（2）三维扫描控制器利用某些晶体的压电现象来进行高精度地控制针头的扫描。（3）减震系统扫描隧道显微镜的工作性质导致任何微小震动都会对仪器的稳定性产生影响，减震系统通过提高仪器的固有频率何使用震动阻尼系统来提高仪器工作的稳定性。（4）电子学控制系统扫描隧道显微镜用计算机控制步进电机的驱动，通过电子学控制系统来精确地操控仪器进行精确的动作。（5）工作模式扫描隧道显微镜的工作模式有恒电流模式和恒高度模式。其中，恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流，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

5、使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变，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。而恒高度模式是指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将发生变化，隧道电流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

6、单一(如由同一种原子组成)的情形。本实验使用的仪器是AJ-I扫描隧道显微镜以及其控制系统NanoEye软件，在了解仪器和软件的一些操作规范以后，我开始进行实验。首先要制备针头。打开实验箱的防尘玻璃窗，小心地取下显微镜头部，拔掉连在头部内的数据线，用尖头镊子取下探针。本仪器的探针是由铂-铱合金制成的，可用丙酮溶液进行清洗附着在针头上的有机物、灰尘以及氧化层。具体操作步骤如下：去适量的丙酮溶液于量杯中，放入一小撮脱脂棉，待丙酮溶液将其浸湿后，用镊子夹起，按压在待洗器件（镊子、剪刀）使溶液流过需要处理的地方，重复几次即可。用镊子把针头夹起放入

7、量杯中几秒钟后夹起，这样针头的清洗也完成了。接着用一把镊子夹住针头，并用手指按死，防止剪针头时针头掉落，拿剪刀贴近针头，使刀锋与针头成30°~45°，剪针头时顺势加上拔针头的动作，用力的方向顺着刀锋。剪完后可用放大镜观察针头是否有毛状尖端，若无，重复剪针头的操作；若有，用镊子将针头放回头部的针头口，并将头部翻转过来，检查针头安装地是否稳固。石墨样品的制备比较简单，只需取下样品台上的载物片，用胶带粘去样品表面的一层，露出新的一层石墨样品即可，将载物片放回样品台即可。然后将头部装回去，头部底面右侧的圆槽对准仪器右侧的粗调螺钉，然后安装时注意

8、动作轻柔，防止针头被碰触到，防止数据线插头损坏。打开扫描隧道显微镜电源和控制软件，手动调节两个粗调螺钉，使针头靠近样品1毫米左右，然后通过软件控制步进电机进一步调节针头距离。点击马达控制，设置隧道电流为0.