2022年扫描隧道显微镜归类

浙师大近代物理实验报告扫描隧道显微镜实验报告物理 081 班08180123 任希摘要：通过对扫描轨道显微镜（STM）工作原理的学习，即量子力学中的轨道贯穿原理。在此基础上，可以了解到本实验将通过扫描轨道显微镜（STM）获取样品表面的微观结构与物质分布，以加深我们对扫描轨道显微镜关于物理研究的理解。关键字：扫描隧道显微镜；轨道贯穿原理；微观结构与物质分布引言：扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”，“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981 年由格尔德 宾宁（GBinning）及海因里希 罗雷尔（HRohrer）在 IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特 鲁斯卡分享了1986 年诺贝尔物理学奖。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20 世纪 80 年代世界十大科技成就之一。STM 与其它微细加工方法相比有其独特的特点。首先，STM 可以在各种环境下和在纳米尺度上多表面进行加工。其次，STM 是目前能够提供具有纳米尺度的低能电子束的唯一手段，在控制和研究诸如迁移、化学反应等过程中有着显而易见的重要性。自从STM 问世以来，STM 作为纳米加工的工具的研究已涉及到表面直接刻写、电子束诱导沉积以及单个原子操纵等方面，并取得了一批高水平的研究成果，而用其它实验手段是不可能得到这些结果的。正文：1 原理介绍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。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -浙师大近代物理实验报告根据量子力学原理，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，电子云密度并不是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。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有关，其关系为，式中 A为常量。如果 s以nm 为单位，以 eV 为单位，则在真空条件下，A 1，。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 0.1nm，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，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。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，如右图所示，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。STM 有两种工作方式。一种称为恒电流模式，如下左图所示。利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿 x、y 两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM 得到了样品表面的三维立体信息。这种工作名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -浙师大近代物理实验报告方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。另一种工作模式是恒高度工作，如上右图所示。在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离s 将发生变化，隧道电流I 的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM 显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。2 实际实验过程在实验开始之前，首先要对仪器设备进行检查，使用前先检查连线是否连接正确（主要是机座和控制箱、电脑和控制箱、电源）。接着，再启动电脑，等电脑进入win-xp 界面后再打开控制箱电源开关，然后打开桌面上 AJ-I 扫描轨道显微镜的控制软件，软件打开后首先对显微镜进行校正，选定通道零后，点击“应用”，最后确定。接下去只要把实验中提供的针尖做好实验就可以进行。针尖的制备，需要高超的技术，且本步骤为决定实验成败的关键。首先将丙酮溶液对针、镊子和剪刀进行清洁，稍等片刻让针、镊子和剪刀完全干燥。下面开始剪针尖：将镊子夹紧针的一端，另一侧则为我们要剪的针尖，慢慢转动剪刀使剪刀和针成一定角度快速剪下，同时伴有冲力，方向与剪刀和针成一定的角度。然后以强光为背光对针尖进行肉眼观察。看是否有比较尖锐的针尖，若无，则重复上述步骤，若有，操作继续。本小组在本步骤中花费了很多时间，且结果的不确定性很大。安装针尖，注意过程中不能碰到针尖，不然针尖的端头上的原子结构会被破坏，致使实验的结果遭到影响。进针，机座上有三个高度调节旋钮，从上往下看，顺时针为进针，逆时针为退针，调节时先在石墨平面上找到镜像小红灯，同时调节视点在镜像小红灯平面上找到实际针尖的镜像针尖，调节实际针尖和镜像针尖的距离。调节至实际针尖与镜像针尖的距离无法预知再调节下去是否撞针时，采用自动进针。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -浙师大近代物理实验报告点击马达高级控制面板中的“连续进”并密切注意观察进针情况。直到提示框出现后，然后选择“单步进”调零后，调节红线于中间位置时停止。进针结束。针尖的检查需要打开“Iz 曲线 Z”图，观察图像中的电流衰减情况，图像中曲线越陡峭说明针尖越好；反之，针尖不好。实验中使用制备的针尖，图像的电流衰减都比较差，这和针尖制备的质量有关。本实验的扫描模式选择恒电流模式。对提示框中的参数进行设置，操作中，本小组把“显示范围”参数设置为20.00nm，在高度控制框中调节范围参数为1.00nm，其它参数保持不变，然后进行扫描。过程中发现，扫描得到的图均无法很好地显示石墨原子层，和标准图相比还存在较大的距离，以下为实验中的部分扫描图：对比标准的石墨原子结构图（来自网络资料）：可以看出存在很大的差距。实验结束之前，需要点击马达控制面板中的“连续退”，推到一千步左右停止。将扫描控制软件关闭，关掉控制箱电源，再关掉电脑，整理实验工具。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -浙师大近代物理实验报告3 实验结果分析与体会在实验过程当中，已经附上了小组实验得出的扫描图，与标准图相比存在较大的差距，经过组员之间的讨论分析，以及教员的提示，我们明白了这是因为针尖制备的质量存在问题，由此，在整个实验过程中，小组把实验重心放在针尖的制备上面。但是，结果还是不尽如人意。本次实验是整个近代物理实验之中唯一一次得出的结果与现实相差巨大的实验，从中我们明白了实验之中存在着许多需要人为精确控制的因素，此次实验的针尖制备的技术就是很好的例子。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -