发布时间 : 星期二 文章扫描隧道显微镜(STM)实验报告更新完毕开始阅读
实 验 报 告
姓名 小编 班级 01**101 学号 011**01** 组别 实验日期 2011-11-23 课程名称 大学物理实验 同实验者 指导教师 成绩 扫描隧道显微镜（STM）
一．实验目的
1掌握和了解量子力学中的隧道效应的基本原理。
2学习和了解扫描隧道显微镜的基本结构和基本实验方法原理。
3基本了解扫描隧道显微镜的样品制作过程、设备的操作和调试过程，并 最后观察样品的表面形貌。
4正确使用AJ—1扫描隧道显微镜的控制软件，并对获得的表面图像进行处
理和数据分析。 二．实验仪器
AJ—1型扫描隧道显微镜；P-IV型计算机；样品（高序石墨）；
金属探针及工具。
三．实验原理 1．隧道电流
扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即
透射系数等于零，粒子将完全被弹回（如图3）。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著。经计算，透射系数
（1）
由式中可见，透射系数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。
扫描隧道显微镜是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1 nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的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
（2）
式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，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。隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。
由（2）式可知，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。 2．STM的结构和工作模式
STM仪器由具有减振系统的STM头部、电子学控制系统和包括A/D多功能卡的计算机组成（图4）。头部的主要部件是用压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x-y方向扫描电压的作用下，扫描器驱动探针在导电样品表面附近作x-y方向
的扫描运动。与此同时，一台差动放大器检测探针与样品间的隧道电流，并把它转换成电压反馈到扫描器，作为探针z方向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表面的高度。
STM常用的工作模式主要有以下两种：
a.恒流模式，如图3（a），利用压电陶瓷控制针尖在样品表面x-y方向扫描，而z方向的反馈回路控制隧道电流的恒定，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，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹记录并显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。这种工作模式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z方向的驱动电压值推算表面起伏高度的数值。恒流模式是一种常用的工作模式，在这种工作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率。
图3 扫描隧道显微镜的两种工作模式
b.恒高模式，如图3（b），针尖的x-y方向仍起着扫描的作用，而z方向则保持绝对高度不变，由于针尖与样品表面的局域高度会随时发生变化，因而隧道电流的大小也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。横高模式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，实现表面形貌的实时显示，但这种模式要求样品表面相当平坦，样品表面的起伏一般不大于1nm，否则探针容易与样品相撞。 3. STM针尖的制备
隧道针尖的制备是STM技术中要解决的主要问题之一，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。针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而减小相位滞后，提高采集速度。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。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致在针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。 现在常用铂铱合金作为隧道针尖材料。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.为了得到锐利的针尖，通常对铂铱合金丝用机械剪切方法成型。 4. STM的减震
由于STM工作时的针尖与样品间距一般小于1nm，同时由式(2)可见，隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动，例如由说话的声音和人的走动所引起的振动，都会对仪器的稳定性产生影响。许多样品，特别是金属样品，在STM的恒流工作模式中，观察到的表面起伏通常为0.01nm。因此，STM仪器应具有良好的减震效果，一般由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。 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。因此，STM减震系统的设计应主要考虑1到100Hz之间的振动。隔绝振动的方法主要靠