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　　扫描隧道显微镜的原理和应用扫描隧道显微镜( STM )的发明打开了人类对微观世界观察的大门,使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。 STM 历史意义 STM 前的显微镜?光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观察细胞.?电子显微镜(德国科学家 Ernst Ruska 和 Max Knoll 发明),可以观察到比细胞更小的病毒. 光学显微镜电子显微镜光学显微镜和电子显微镜的缺陷?光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. ?电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处,低速电子又容易被样品的电磁场偏折,,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术. STM 的发明?(Gerd Bining) (Heinrich Rohrer) 博士?他们俩当时供职于 IBM 公司设在瑞士苏黎士的实验室. ?他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明 STM ?“形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测物体表面的想法.?结果成功了! ? Gerd Bining , Heinrich Rohrer 和 Ernst Ruska 荣获 1986 年的诺贝尔物理奖一 STM 工作原理扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理,通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。隧道效应根据量子力学原理,由于粒子存在波动性,当一个粒子处在一个势垒之中时,粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零,这种现象称为隧道效应。由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限于金属表面之内, 电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰减,衰减长度约为 1nm 。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针,将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离 1nm) 时,两者的电子云略有重叠,如图 2 所示。若在两极间加上电压 U,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间的势垒, 通过电子云的狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成隧道电流 I 。隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度 p有关, 其关系为 I∝ Uexp[-A(ps) 1/2 ] ,式中 A 为常量。如果 s以 为单位, p 以 eV 为单位,则在线,I∝ Uexp[-(ps) 1/2]。由此可见,隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感,如果 s 减小 ,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时, 即使其表面只有原子尺度的起伏,也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机,在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。 STM 的结构常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上,如图 3 所示, Lx 、 Ly 、 Lz 分别控制针尖在 x、y、z方向上的运动。在 Lx 、 Ly 上施加电压, 便可使针尖沿表面扫描;测量隧道电流 I ,并以此反馈控制施加在 Lz 上的电压 Vz ;再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。