STM扫描隧道显微镜的原理

STM扫描隧道显微镜的原理

姓名：王跃 班级：1307401

【摘要】：了解扫描隧道显微镜的构造和原理。 【关键字】：隧道效应，扫描隧道显微镜。

一、 量子隧道效应

由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿[1]。考虑粒

子运动遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，粒子是不可能越过势垒的；按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒

所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E

在产生隧道效应时，由于电子的转移，在两个道导体之间便会形成隧道电流，扫描隧道显微镜便是通过检测隧道电流的变化来检测出被测物表面的形态。

二、 扫描隧道显微镜的构造及工作原理

如图所示为扫描隧道显微镜的工作原理示意图，它利用尖锐的金属

针尖和导电样品之间的隧道电流来描述样品表面的局域信息。导致STM技术发明的主要原因是作为局域探测技术的三个实验难题获得解决：维持只有几埃量级宽的缝隙稳定性技术、使探针在表面以亚埃德精度定位和扫描的压电传感技术、使样品从原理针尖到逼近针尖至5埃以内而不损坏针尖和样品表面的技术。

STM技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏压的针尖。具体地说，是将极细的探针和被研究的物体表面看做两个电极，当样品和探针的距离非常接近时（通常小于1纳米），它们之间的势垒变得很薄，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录遂道电流的变化就能得到有感样品表面形貌的信息。

通常在STM中，针尖是被固定在一个压电陶瓷制成的扫尾扫描架上，通过改变陶瓷上的电压，使得陶瓷的长度发生微笑的变化，从而使样品于针尖的距离（z方向）以及针尖在样品表面的位置（x、y方向）发生细微的改变。在进行针尖扫面时，根据隧道电流与z方向陶瓷电压之间

的反馈方式的不同，STM针尖的工作方式分为横高和恒电流两种模式。

所谓的恒电流模式就是利用电子反馈电路保持隧道电流恒定，并将隧道电流反馈到z陶瓷上，控制z陶瓷上的电压从而调节针尖到样品表面的距离进行扫描，探针在垂直于样品表面方向上的高低变化就能放映出样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在计算机屏幕上显示出来就得到了样品表面态密度分布或原子排列的图像。这种恒电流扫描方式可用于观察表面起伏较大的样品，且可通过测量z方向驱动器上的电压值推算表面高度起伏的数值。对于表面起伏不大的样品，可以保持针尖高度恒定扫描，通过记录隧道电流的变化也可得到样品表面态密度的分布。这种横高度扫描方式的特点是扫描速度快，能减少噪音和热漂移对信号的影响，但不能用于观察表面起伏大于1nm的样品，否则很容易使针尖碰坏。 【参考文献】：

1、熊俊. 近代物理实验.北京师范大学出版社2007版； 2、王思诚.近代物理实验（第三版）.高等教育出版社； 3、王魁香.新编近代物理实验.科学出版社；

4、《扫描隧道显微镜的简介》（小木虫论坛）作者: fwj1979 。