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1、STM实验分析及图像处理摘要：本文介绍了扫描隧道显微镜扫描二维光栅及扫描中遇到的问题处理，并用SPIP软件对所得图像进行离线分析及修正，得到相关参数。关键词：扫描隧道显微镜SPIP软件傅立叶变换去噪TheanalysisofSTMexperimentandimageprocessAbstract:Thisarticledescribestheprocessofscanning two-dimension rasterbySTMandthesolutionsoftheencounteredproble
2、ms.Aftertheexperiment,weanalyzeandcorrecttheimagesoff-lineandgettherelevantparametersoftheraster.Keywords:STM;SPIPsoftware;Fourier一、实验原理：1、量子力学隧道效应当一个电子以能量E进入高度为V0（V0>E）的势垒时，按照量子力学的观点电子是由一定概率隧穿此势垒，且隧穿的概率与能量差（V-E）及势垒宽度有关，下面用公式说明此问题。考虑一维方势垒：由薛定谔方程：可求得在x>
3、x2的区域内：；其中,为常数。透射率：；其中为势垒宽度。由此可见，透射率与电子能量以及势垒宽度有关，都成指数关系，所以透射率对这两个因素十分敏感。2、隧道电流与隧道距离由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于表面边界之内。即，电子密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为10A。将直径小到原子尺度的探针针尖和样品的表面作为两个电极,它们之间的介质相当于势垒.如果探针和待测样品靠得很近，那么，它们表面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加一微小电压V，那就可以观察到
4、它们之间的电流密度（隧道电流密度）:令；则其中h为普朗克常数，m为电子质量，为针尖和样品的平均功函数（,为针尖功函数，为样品功函数），d为隧道距离（mm），为常数，=0.5nm下图为实验中针尖，样品及得到的图像的函数图:为针尖表面轮廓函数，为样品表面函数，为扫描得到的图像函数，将此公式带入上述电流公式，得到：成像点处的总电流等于在样品表面的积分：在恒流模式下为常数，从而得到：总之，隧道电流与隧道距离有关系，当s变化1A时，呈数量级变化，十分灵敏。这样，当探针在样品上扫描时，表面上小到原子尺度的特征就
5、显现为隧道电流的变化。二、实验仪器及工作原理1、实验仪器：扫瞄隧道显微镜一般由头部系统、电子学系统和计算机系统3部分构成,如图2.头部是STM的工作执行部分,包括信号检测装置及处理电路、针尖、样品、PZT扫描器、粗细调驱进装置以及隔离震动的设备;电子学系统是STM的工作控制部分,主要实现扫描器的各种预设的功能和维持扫描器状态的反馈系统,如XY扫描、STM反馈计算、改变STM的针尖偏压、马达自动控制以及与计算机间的数据通讯等;计算机系统可实现人机交互软件的操作,指令电子学控制系统实现STM头部功能,完
6、成实时过程的处理、数据的获取、分析处理及输出.由上面实验原理可知，隧道电流与隧道距离有着指数关系,即当距离减小1A,隧道电流增加约一个数量级。因此,根据隧道电流的变化,我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息,如果同时对x,y方向进行扫描,就可以直接得到样品的三维图.1、工作模式：1）恒流模式：当STM扫描样品表面时，通过上下移动针尖保持隧道距离不变，从而保持针尖和样品之间的隧穿电流不变，这样针尖的上下移动就描述了样品表面的形态，得到样品表面原子排列的图像，这种模式主要应用于样品表面起伏较大的扫
7、描。2）恒高模式：当STM扫描样品表面时，保持针尖的垂直高度不变，这样针尖和样品的距离随着样品表面的起伏而改变，从而隧道距离发生变化，隧道电流也跟着发生相应变化，这样我们根据电流的变化就可以推导出样品表面的起伏状况，也就得到了样品表面原子形貌图像，这种模式应用于样品起伏不大的扫描。3）“接触”模式：恒流模式和恒高模式中针尖不与样品表面接触,形成空气势垒,隧道电流随势垒宽度指数衰减.在关闭隧道电流反馈控制回路的条件下测量I-U曲线,随着势垒宽度的不断减小,I-U曲线的斜率逐渐增大,当针尖接触到样品表面
8、,势垒就消失,曲线的斜率基本上不再改变,这就是STM的“接触”模式.在有机分子材料的研究中,为了消除空气势垒的影响,常采用这种模式.三、实验过程及结果实验条件：样品：二维光栅模式：恒高模式扫描范围：2000nmX-range：2000nmY-range：2000nmZ-range：181.0nm扫描速度（timeperscanline）：0.486s图像扫描速度（timeperimage）：248.9s实验操作：调节Z-range使得LineView里的波形图处在Z-
