扫描隧道显微镜.docx

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扫描隧道显微镜

大学物理仿真实验——

扫描隧道显微镜

一.实验目的

1.       学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；

2.       观测和验证量子力学中的隧道效应；

3.       学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌；

4.       学习用计算机软件处理原始图象数据。

二．实验原理

原子的概念至少可以追溯到一千年前的德莫克利特时代，但在漫长的岁月中，原子还只是假设而并非可观测到的客体.人的眼睛不能直接观察到比10-4m更小的物体或物质的结构细节，光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m

电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率——0．1nm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件．

场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只能探测半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限.X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究．

与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点：

   具有原子级高分辨率，STM在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达0．1nm和0．01nm，即可以分辨出单个原子．

   可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究．

   可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。

表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等． 

   可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

   配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。

表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等．

   利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础．

1.隧道电流

扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscope）的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。

对于经典物理学来说，当一个粒子的动能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。

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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒（如图1）这个现象称为隧道效应。

隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。

经计算，透射系数T为：

由式

（1）可见，T与势垒宽度a，能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感的关系。

随着势垒厚（宽）度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。

扫描隧道显微镜的基本原理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（通常小于1nm）时，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是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关：

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。

2.扫描隧道显微镜的工作原理

由式

（2）可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，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，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：

恒电流模式和恒高度模式。

   恒电流模式：

如图（a）所示

x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。

将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。

此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。

   恒高度模式：

如图（b）所示

在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。

这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

三．实验仪器

STM扫描隧道显微镜，STM控制器，STM控制软件

STM扫描隧道显微镜STM控制器

STM控制软件

四．实验操作方法

1.        打开软件。

2.        单击鼠标右键弹出菜单，选择“开始实验”。

3.        单击鼠标右键，选择“操作STM”。

4.        在样品承载台上单击鼠标左键，选择合适的样品（高序石墨）。

5.        鼠标点击承载台下面的调节旋钮进行调节，让针尖尽量接近样品表面，注意不要损坏针尖。

6.        双击STM控制器，单击电源按钮，打开STM控制器开关。

7.        双击电脑，打开STM控制软件。

8.        打开“Z高度”和“马达高级控制面板”。

9.        点击“连续进”，找到扫描控制区。

10.    使用“单步进”，让Z高度电流稳定在-30–30V之间。

11.    关闭高级马达控制面板，点击“新建高度图像”。

12.    设置“高度控制”的显示范围为1nm，“扫描控制面板”的扫描范围为5nm。

13.    点击“开始/停止扫描图像”，即可扫出高序石墨的原子图谱。

五．实验结果和数据处理

高序石墨扫描图像：

相关参数表：

六．实验结论和误差分析

实验结论：

通过扫描隧道显微镜的命名出发了解了其基本原理，从本质上理解了扫描隧道显微镜的作用，实验中在一步步的摸索中明白了每一步实验步骤的目的。

运用具有原子分辨率的实验仪器观察了高序石墨的表面形貌，使我们有机会通过自己的努力获得原子排列图

误差分析：

1.仪器本身的系统误差。

2.可能由于实验仪器对于隧道电流的分辨率问题导致形貌图和本身原子排列有偏差。

3.在调节计算机软件相关参数时出现的偏差

七．思考题

1.扫描隧道显微镜的工作原理是什么？

什么是量子隧道效应？

答:

根据隧道电流

S为针尖与样品距离，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，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，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

对于经典物理学来说，当一个粒子的动能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。

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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒这个现象称为隧道效应。

2.扫描隧道显微镜主要常用的有哪几种扫描模式？

各有什么特点？

答：

扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：

恒电流模式和恒高度模式。

  恒电流模式：

如图（a）所示

x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。

将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。

此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。

 恒高度模式：

如图（b）所示

在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。

这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

3.仪器中加在针尖与样品间的偏压是起什么作用的？

针尖偏压的大小对实验结果何影响？

答:

根据公式

Vb为起偏电压，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（通常小于1nm）时，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，形成隧道电流，从而根据不同位置隧道电流和探针与物品距离的上述关系绘出表面三维形貌图。

只有在一定的条件下，隧道效应才会显著，根据上面的公式，由于仪器电流大小分辨率的限制，在针尖偏压Vb较大的情况下，隧道电流改变比较明显，可以绘出更精细，分辨率更高的表面形貌图。

4.实验中隧道电流设定的大小意味着什么？

答:

电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。

该数值设定越大，这一恒定距离也越小。