扫描遂道显微镜（ STM）
表面分析仪,1982年第一台国际商业机器公司苏黎世实验室
(Gerd Bining\Heinrich Rohrer)
STM扫描隧道显微镜
功能：
1。主要功能：提供具有原子级分辩率的表面形貌。
2。另一种应用：可以作为谱学研究的工具。
表面结构分析现代仪器历史
1933年第一台电子显微镜：
透射电子显微镜（ TEM）
扫描电子显微镜（ SEM）
场电子显微镜（ FEM）
场离子显微镜（ FIM）
扫描隧道显微镜（ STM）
原子力显微镜（ AFM）
人眼晴分辩率,0.1mm以上。
光学显微镜极限分辩本领是光波的半波长：可见光最短 0.4um(半波长,0.2um）
透射电镜
原理：光线在介质中运动与电子在磁场中运动相似性质。光波长 -电子波长。光学透镜 -磁透镜。
透射电镜（ TEM）
电子波长：
加速电压,50-100KV。电子波长：
0.00536~0.00370nm
磁透镜
)
2
1(2
2
,
2
2
1
:
,:
2
0
0
2
cm
eV
eVm
h
m eV
h
m
eV
v
eVmv
mv
h
电子被电场加速德布罗意波波长透射电镜的条件与特征
1.电子运动的轨迹满足旁轴条件。
2.电子运动的速度是完全相同的。
3.形成透镜的电磁场具有理想的轴对称性
4.电镜的镜筒内部处于高真空。
5.样品尺寸小，并对电子束是透明的。
6.样品制备技术与图像解释方法发展。
扫描电镜（ SEM）
1.成像原理与与透射电镜完全不同。
2.高能电子轰击样品表面。激发各种信息。
3.二次电子、透射电子、俄歇电子,X射线等。
4.不同的信息检测器。
5.高真空状态。
6.分辩率逊色于透射电镜数十倍。
扫描隧道显微镜基本原理
量子理论中的隧道效应。
极细探针与研究物质作为两个探极。
隧道电流：
)2
1
e x p ( sAbVI
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。
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。
隧道谱
实验方式：四种操作方法采集隧道谱数据。
1。电流 —— 电压隧道谱。
2。电流 —— 间隙特性。
3。恒电流形貌图（ CCT）。
4。电流成像隧道谱（ CITS）
振动隔绝系统
工作针尖与样品间距小于 1nm.隧道电流与间距成指数关系。
恒流模式中，表面起伏通常为 0.01nm,振动引起小于 0.001nm.
STM减震系统设计主要考虑低频,1-100HZ
防振,1.提高仪器的固有振动频率,
2.使用振动阻尼系统。
减震系统：
减震考虑,1-100HZ之间的振动。
提高系统固有振动频率。
橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻尼。
压电陶瓷步进马达扫描控制器：
压电现象：某种晶体机械力 — 形变 ——
电场 —— x,y,z扫描控制器件。
压电陶瓷材料：极化处理实验操作与进行：
一,针尖的制作：
二,针尖的安装：
三,实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、
增益。
四,逼近隧道区（隧道电流）
五,扫描：观察图象、调整电流、偏压等。
STM应用：
金属和半导体表面的 STM研究：
研究表面上发生的物理与化学过程。
物理例如：晶体生长过程、表面物质沉积过程。
表面化学反应。
STM在生命科学研究中的应用：
1.基底的选择：高定向石墨（ HOPG）
2.样品的导电性：早期在生物样品表面蒸镀上一层导电膜。
3.吸附在导电基底上的生物样品足够薄。
扫描遂道显微镜（ STM）独特优点：
1.具有原子高分辩率。
2.可实时得到在实空间中表面的三维图象；
3.可以观察单个原子层的局部表面结构。
4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作；甚至水中。对样品无损。
5.可得到表面电子结构的信息。（配合扫描隧道谱）。
STM的局限性与发展
1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。
2.样品必须具有一定程度的导电性。
AFM
国内教学仪器两种类型：
上海纳星公司（上海交大）：
测试范围大，软件适合教学应用，界面漂亮。
北京大学：测试 nm数量级。隔振系统好；
真空工作状态。能反映科研工作状况。
软件不适应教学。界面差。
STM扫描隧道显微镜的工作原理,
Z轴加 (减 )偏压使针尖逼近与退离,
三维压电陶瓷进行扫描工作,
恒流模式工作时,样品形貌变化信号只控制 Z轴方向压电陶瓷电压,针尖对样品扫描控制 X,Y方向压电陶瓷（粗调与有序控制）
北大扫描隧道显微镜结构形式隧道针尖
STM技术中的主要问题。
钨针尖的制备：电化学腐蚀方法,NaOH
铂铱合金针尖的制备：
机械成形法：剪切法
针尖的保存。
铂铱合金针尖的制备：
两步电化学腐蚀方法；
机械成形法；
剪切法软件
1.各项参数的设置。
2.STM控制、数据采集和实时显示。
3.文件的管理。
4.数据分析和图像处理。
在 STM基础上发展起来的各种新型显微镜
原子力显微镜
激光显微镜场离子显微镜（ FIM）
利用成像气体原子在带正高压的针尖样品的附近被场离子化。荧光屏上显示。
表面分析仪,1982年第一台国际商业机器公司苏黎世实验室
(Gerd Bining\Heinrich Rohrer)
STM扫描隧道显微镜
功能：
1。主要功能：提供具有原子级分辩率的表面形貌。
2。另一种应用：可以作为谱学研究的工具。
表面结构分析现代仪器历史
1933年第一台电子显微镜：
透射电子显微镜（ TEM）
扫描电子显微镜（ SEM）
场电子显微镜（ FEM）
场离子显微镜（ FIM）
扫描隧道显微镜（ STM）
原子力显微镜（ AFM）
人眼晴分辩率,0.1mm以上。
光学显微镜极限分辩本领是光波的半波长：可见光最短 0.4um(半波长,0.2um）
透射电镜
原理：光线在介质中运动与电子在磁场中运动相似性质。光波长 -电子波长。光学透镜 -磁透镜。
透射电镜（ TEM）
电子波长：
加速电压,50-100KV。电子波长：
0.00536~0.00370nm
磁透镜
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2
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h
m eV
h
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电子被电场加速德布罗意波波长透射电镜的条件与特征
1.电子运动的轨迹满足旁轴条件。
2.电子运动的速度是完全相同的。
3.形成透镜的电磁场具有理想的轴对称性
4.电镜的镜筒内部处于高真空。
5.样品尺寸小，并对电子束是透明的。
6.样品制备技术与图像解释方法发展。
扫描电镜（ SEM）
1.成像原理与与透射电镜完全不同。
2.高能电子轰击样品表面。激发各种信息。
3.二次电子、透射电子、俄歇电子,X射线等。
4.不同的信息检测器。
5.高真空状态。
6.分辩率逊色于透射电镜数十倍。
扫描隧道显微镜基本原理
量子理论中的隧道效应。
极细探针与研究物质作为两个探极。
隧道电流：
)2
1
e x p ( sAbVI
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。
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。
隧道谱
实验方式：四种操作方法采集隧道谱数据。
1。电流 —— 电压隧道谱。
2。电流 —— 间隙特性。
3。恒电流形貌图（ CCT）。
4。电流成像隧道谱（ CITS）
振动隔绝系统
工作针尖与样品间距小于 1nm.隧道电流与间距成指数关系。
恒流模式中，表面起伏通常为 0.01nm,振动引起小于 0.001nm.
STM减震系统设计主要考虑低频,1-100HZ
防振,1.提高仪器的固有振动频率,
2.使用振动阻尼系统。
减震系统：
减震考虑,1-100HZ之间的振动。
提高系统固有振动频率。
橡胶缓冲垫、弹簧悬挂、磁性涡流阻尼。
压电陶瓷步进马达扫描控制器：
压电现象：某种晶体机械力 — 形变 ——
电场 —— x,y,z扫描控制器件。
压电陶瓷材料：极化处理实验操作与进行：
一,针尖的制作：
二,针尖的安装：
三,实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、
增益。
四,逼近隧道区（隧道电流）
五,扫描：观察图象、调整电流、偏压等。
STM应用：
金属和半导体表面的 STM研究：
研究表面上发生的物理与化学过程。
物理例如：晶体生长过程、表面物质沉积过程。
表面化学反应。
STM在生命科学研究中的应用：
1.基底的选择：高定向石墨（ HOPG）
2.样品的导电性：早期在生物样品表面蒸镀上一层导电膜。
3.吸附在导电基底上的生物样品足够薄。
扫描遂道显微镜（ STM）独特优点：
1.具有原子高分辩率。
2.可实时得到在实空间中表面的三维图象；
3.可以观察单个原子层的局部表面结构。
4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作；甚至水中。对样品无损。
5.可得到表面电子结构的信息。（配合扫描隧道谱）。
STM的局限性与发展
1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。
2.样品必须具有一定程度的导电性。
AFM
国内教学仪器两种类型：
上海纳星公司（上海交大）：
测试范围大，软件适合教学应用，界面漂亮。
北京大学：测试 nm数量级。隔振系统好；
真空工作状态。能反映科研工作状况。
软件不适应教学。界面差。
STM扫描隧道显微镜的工作原理,
Z轴加 (减 )偏压使针尖逼近与退离,
三维压电陶瓷进行扫描工作,
恒流模式工作时,样品形貌变化信号只控制 Z轴方向压电陶瓷电压,针尖对样品扫描控制 X,Y方向压电陶瓷（粗调与有序控制）
北大扫描隧道显微镜结构形式隧道针尖
STM技术中的主要问题。
钨针尖的制备：电化学腐蚀方法,NaOH
铂铱合金针尖的制备：
机械成形法：剪切法
针尖的保存。
铂铱合金针尖的制备：
两步电化学腐蚀方法；
机械成形法；
剪切法软件
1.各项参数的设置。
2.STM控制、数据采集和实时显示。
3.文件的管理。
4.数据分析和图像处理。
在 STM基础上发展起来的各种新型显微镜
原子力显微镜
激光显微镜场离子显微镜（ FIM）
利用成像气体原子在带正高压的针尖样品的附近被场离子化。荧光屏上显示。
