扫描隧道显微镜（ STM）
NanoView-I 型扫描隧道显微镜研制：
上海交通大学物理实验中心上海纳科技术发展有限公司主要技术参数：
扫描范围,5?m× 5?m
样品驱进：马达自动驱进
+手动螺纹分辨率,原子分辨
NanoView-I 型扫描隧道显微镜
1997年研制,并投入教学使用；
1998年通过上海市科委鉴定；
1999年获 全国工科物理实验教学仪器一等奖；
2000年世界银行贷款,高等教育发展,项目中标；
目前已有清华,复旦,科大,同济,东南大学,中山,
华中科技,西北大学,北方交大,大连理工,西北工业,重大,华南师范等十几所高校使用 。
引言
STM基本原理
STM仪器的基本构成
STM实验技术的主要问题
STM实验的教学应用不能对原子直接观察和操纵！
人眼的分辨率为 10-4米
光学显微镜分辨率为 10-7米
扫描透射电子显微镜分辨率为 10-10米
场离子显微镜分辨率为 10-10米为表彰 STM的发明者们对科学研究的杰出贡献,
1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 。
G.Binning H.Rohrer
STM的独特优点
具有原子级高分辨率，分辨率横向 0.1nm、纵向
0.01nm。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，且探测过程对样品无损伤。
可用来移动和操纵单个原子和分子。
价格便宜。
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 。
0V
E
a
量子力学中的隧道效应图 1
透射系数
)(2
2
2
0
0 016
EVm
a
e
V
EVE
T
）（
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 。
隧道电流是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 。
)e x p ( 2
1
SAVI b
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。
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系,当距离减小
0.1nm,隧道电流即增加约一个数量级 。
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,就可以直接得到三维的样品表面形貌图 。
STM扫描模式 — 恒流模式
xy
z
S
rT IV,
反馈回路
),(),( yxzVVV yxz?恒电流模式)(a
初始的隧道电流设为一恒定值,当样品表面凸起时,针尖就会向后退,以保持隧道电流的值不变；反之,当样品表面凹进时,反馈系统将使得针尖向前移动 。 计算机记录了针尖上下移动的轨迹,合成起来,就可给出样品表面的三维形貌 。
STM扫描模式 — 恒高模式保持水平高度不变,由于隧道电流随距离有着明显的变化,
只要记录电流变化的曲线,就可以给出高度的变化 。
y
),(),(ln yxzVVI yx恒高度模式
x
)(b
STM仪器的基本构成电子学系统支架计算机减震系统针尖驱动机构针尖样品图4 S T M 基本构成三维扫描控制器
- x 电极
( 背面）
x
y
z 电极
+ x 电极
- y 电极
+ y 电极使用压电陶瓷材料作为
x,y,z扫描控制器件,
它们能以简单的方式将
1mV-100V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移 。
电子学控制系统头部STM 控制箱 机PC
管瓷扫描压电陶前放步进马达针尖偏压马达驱动控制自动控制功能卡多DA/
TIL
Z
XY
软件系统主要功能
实时采集控制：纵向驱进,任意角度横向扫描,
定标,局域,实时预处理 。
离线处理与分析：提供图像浏览,缩放,线三维,表面三维等多种显示功能；提供斜面校正,
平滑,卷积滤波,FFT,边缘增强,反转,两维行平均等图像处理手段；可对图像进行粗糙度,模糊度,剖面线分析及距离和高度定标 。
STM技术中主要问题之一,针尖的制备针尖的大小,形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状,而且也影响着测定的电子态 。 如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖,那么隧道电流就会很稳定,而且能够获得原子级分辨率的图象 。
由于钨针尖能够满足 STM仪器刚性的要求,因而被广泛地使用 。 但由于钨针尖在水溶液中或暴露在空气中时,容易形成表面氧化物,因此在真空中使用前,最好在超高真空系统中进行蒸发,在空气中使用前,通过退火或使用离子研磨技术中的溅射等方法除去针尖表面的氧化层 。 为了得到锐利的针尖,通常用电化学腐蚀法处理金属钨丝 。
与钨相比,铂材料虽软,但不易被氧化,
在铂中加入少量铱 (例如铂铱的比例为 80
％,20％ )形成的铂铱合金丝,除保留了不易被氧化的特性外,其刚性也得到了增强,
故现在大部分人使用铂铱合金作为隧道针尖材料 。 为了得到锐利的针尖,通常对铂铱合金丝就用剪刀剪切 。
STM技术中主要问题之二,减震
STM减震系统的设计应主要考虑 1到 100Hz之间的振动,
振动所引起的隧道间距变化必须小于 0.001ｎｍ 。
震源：建筑物一般在 10到 100Hz频率之间摆动,当在实验室附近的机器工作时,可能激发这些振动 。 通风管道,变压器和马达所引起的振动在 6到 65Hz之间,
房屋骨架,墙壁和地板一般在 15到 25Hz易产生与剪切和弯曲有关的振动 。 实验室工作人员所产生的振动 （ 如在地板上的行走 ） 频率在 1到 3Hz范围 。
减震方法之一：合成橡胶缓冲垫采用金属板 （ 或大理石 ） 和橡胶垫叠加的方式构成底座,降低大幅度冲击震动所产生的影响 。
金属板橡胶垫减震方法之二：弹簧悬挂金属弹簧的弹性常数小,共振频率较小 (约为 0.5Hz) 。
STM实验目的
学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；
观测和验证量子力学中的隧道效应；
学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程,
并以之来观察样品的表面形貌；
学习用计算机软件处理原始数据图象 。
STM实验内容
准备和安装样品,针尖；
光栅样品图象扫描；
金团簇样品图象扫描；
图象的处理 。
STM实验注意事项
针尖的安装,样品的安装；
进针；
扫描模式选择；
关机等 。
针尖的制备针尖的安装更换样品
1?m? 1?m光栅表面形貌的三维立体图金团簇（溅射薄膜）表面形貌的三维立体图高序石墨样品的表面原子排列图
Si(111)-7× 7重构表面的真空 STM图象砷化镓 GaAs表面的真空 STM图象
NanoView-I 型扫描隧道显微镜研制：
上海交通大学物理实验中心上海纳科技术发展有限公司主要技术参数：
扫描范围,5?m× 5?m
样品驱进：马达自动驱进
+手动螺纹分辨率,原子分辨
NanoView-I 型扫描隧道显微镜
1997年研制,并投入教学使用；
1998年通过上海市科委鉴定；
1999年获 全国工科物理实验教学仪器一等奖；
2000年世界银行贷款,高等教育发展,项目中标；
目前已有清华,复旦,科大,同济,东南大学,中山,
华中科技,西北大学,北方交大,大连理工,西北工业,重大,华南师范等十几所高校使用 。
引言
STM基本原理
STM仪器的基本构成
STM实验技术的主要问题
STM实验的教学应用不能对原子直接观察和操纵！
人眼的分辨率为 10-4米
光学显微镜分辨率为 10-7米
扫描透射电子显微镜分辨率为 10-10米
场离子显微镜分辨率为 10-10米为表彰 STM的发明者们对科学研究的杰出贡献,
1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 。
G.Binning H.Rohrer
STM的独特优点
具有原子级高分辨率，分辨率横向 0.1nm、纵向
0.01nm。
可实时地得到在实空间中表面的三维图象。
可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，且探测过程对样品无损伤。
可用来移动和操纵单个原子和分子。
价格便宜。
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 。
0V
E
a
量子力学中的隧道效应图 1
透射系数
)(2
2
2
0
0 016
EVm
a
e
V
EVE
T
）（
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 。
隧道电流是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 。
)e x p ( 2
1
SAVI b
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。
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系,当距离减小
0.1nm,隧道电流即增加约一个数量级 。
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,就可以直接得到三维的样品表面形貌图 。
STM扫描模式 — 恒流模式
xy
z
S
rT IV,
反馈回路
),(),( yxzVVV yxz?恒电流模式)(a
初始的隧道电流设为一恒定值,当样品表面凸起时,针尖就会向后退,以保持隧道电流的值不变；反之,当样品表面凹进时,反馈系统将使得针尖向前移动 。 计算机记录了针尖上下移动的轨迹,合成起来,就可给出样品表面的三维形貌 。
STM扫描模式 — 恒高模式保持水平高度不变,由于隧道电流随距离有着明显的变化,
只要记录电流变化的曲线,就可以给出高度的变化 。
y
),(),(ln yxzVVI yx恒高度模式
x
)(b
STM仪器的基本构成电子学系统支架计算机减震系统针尖驱动机构针尖样品图4 S T M 基本构成三维扫描控制器
- x 电极
( 背面）
x
y
z 电极
+ x 电极
- y 电极
+ y 电极使用压电陶瓷材料作为
x,y,z扫描控制器件,
它们能以简单的方式将
1mV-100V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移 。
电子学控制系统头部STM 控制箱 机PC
管瓷扫描压电陶前放步进马达针尖偏压马达驱动控制自动控制功能卡多DA/
TIL
Z
XY
软件系统主要功能
实时采集控制：纵向驱进,任意角度横向扫描,
定标,局域,实时预处理 。
离线处理与分析：提供图像浏览,缩放,线三维,表面三维等多种显示功能；提供斜面校正,
平滑,卷积滤波,FFT,边缘增强,反转,两维行平均等图像处理手段；可对图像进行粗糙度,模糊度,剖面线分析及距离和高度定标 。
STM技术中主要问题之一,针尖的制备针尖的大小,形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状,而且也影响着测定的电子态 。 如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖,那么隧道电流就会很稳定,而且能够获得原子级分辨率的图象 。
由于钨针尖能够满足 STM仪器刚性的要求,因而被广泛地使用 。 但由于钨针尖在水溶液中或暴露在空气中时,容易形成表面氧化物,因此在真空中使用前,最好在超高真空系统中进行蒸发,在空气中使用前,通过退火或使用离子研磨技术中的溅射等方法除去针尖表面的氧化层 。 为了得到锐利的针尖,通常用电化学腐蚀法处理金属钨丝 。
与钨相比,铂材料虽软,但不易被氧化,
在铂中加入少量铱 (例如铂铱的比例为 80
％,20％ )形成的铂铱合金丝,除保留了不易被氧化的特性外,其刚性也得到了增强,
故现在大部分人使用铂铱合金作为隧道针尖材料 。 为了得到锐利的针尖,通常对铂铱合金丝就用剪刀剪切 。
STM技术中主要问题之二,减震
STM减震系统的设计应主要考虑 1到 100Hz之间的振动,
振动所引起的隧道间距变化必须小于 0.001ｎｍ 。
震源：建筑物一般在 10到 100Hz频率之间摆动,当在实验室附近的机器工作时,可能激发这些振动 。 通风管道,变压器和马达所引起的振动在 6到 65Hz之间,
房屋骨架,墙壁和地板一般在 15到 25Hz易产生与剪切和弯曲有关的振动 。 实验室工作人员所产生的振动 （ 如在地板上的行走 ） 频率在 1到 3Hz范围 。
减震方法之一：合成橡胶缓冲垫采用金属板 （ 或大理石 ） 和橡胶垫叠加的方式构成底座,降低大幅度冲击震动所产生的影响 。
金属板橡胶垫减震方法之二：弹簧悬挂金属弹簧的弹性常数小,共振频率较小 (约为 0.5Hz) 。
STM实验目的
学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；
观测和验证量子力学中的隧道效应；
学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程,
并以之来观察样品的表面形貌；
学习用计算机软件处理原始数据图象 。
STM实验内容
准备和安装样品,针尖；
光栅样品图象扫描；
金团簇样品图象扫描；
图象的处理 。
STM实验注意事项
针尖的安装,样品的安装；
进针；
扫描模式选择；
关机等 。
针尖的制备针尖的安装更换样品
1?m? 1?m光栅表面形貌的三维立体图金团簇（溅射薄膜）表面形貌的三维立体图高序石墨样品的表面原子排列图
Si(111)-7× 7重构表面的真空 STM图象砷化镓 GaAs表面的真空 STM图象
