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1、一一.实验目的实验目的1.学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；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；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；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。学习用计算机软件处理原始图象数据。第1页/共32页二二.实验原理实验原理1.引言引言2.隧道效应隧道效应3.扫描隧道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理第2页/共32页1.引言引言生生命命科科学学等等领领域域的的研研究究中中有有着着重重大大的的意意义义和和
2、广广泛泛的的应应用用前前景景，被被国国际际科科学学界界公公认认为为2020世世纪纪8080年年代代世世界界十大科技成就之一十大科技成就之一 19861986年年宾尼和罗雷尔被宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金授予诺贝尔物理学奖金 1982 1982年，年，IBMIBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼宾尼(G(GBinning)Binning)和海和海罗雷尔罗雷尔(H(HRohrer)Rohrer)研制出世界上第一台扫描隧道显微研制出世界上第一台扫描隧道显微镜镜(Scanning Tunnelling Microscope(Scanning Tunnelling Microscope
3、，简称，简称STM)STM)STMSTM使人使人类第一次能够类第一次能够实时地观察单个原子实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和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、与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、第3页/共32页(1)(1)原子的概念：原子的概念：二千多年前的二千多年前的德莫克利特德莫克利特（约公元前（约公元前460460361361）提出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并提出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到的客体。非可观测到的客体。(2)(2)人眼睛的分辨本领人眼睛的分辨本领：-1010-4-4m m。(3)(3
4、)光学显微镜的分辨率：光学显微镜的分辨率：-1010-7-7m m，使人们可观察细，使人们可观察细菌、细胞等小物体，但受限于光波的衍射效应等。菌、细胞等小物体，但受限于光波的衍射效应等。(4)(4)电子显微镜：电子显微镜：扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEM）的分辨率为）的分辨率为1010-9 9m m，而高分辨透射电子显微镜（，而高分辨透射电子显微镜（HTEMHTEM）可以达到原子级）可以达到原子级的分辨率的分辨率0 0InmInm，但主要用于薄层样品的体相和界面，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。研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件。(5)
5、(5)场离子显微镜（场离子显微镜（FIMFIM）：能直接观察表面原子像，但：能直接观察表面原子像，但只能探测半径小于只能探测半径小于100nm100nm的针尖上的原子结构和二维几何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性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限。有限。(6)X(6)X射线衍射和低能电子衍射等射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于研究晶体或周期结构给出样品实空间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。的样品。第4页/共32页右图是中国科学院右图是中国科学院化学所的科技人员化学
6、所的科技人员利用纳米加工技术利用纳米加工技术在石墨表面通过搬在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出迁碳原子而绘制出的世界上最小的中的世界上最小的中国地图。国地图。与其他表面分析技术相比，与其他表面分析技术相比，STMSTM具有如下独特具有如下独特的优点：的优点：(1)(1)具有原子级高分辨率，具有原子级高分辨率，STM STM 在平行于样品表面方向上在平行于样品表面方向上 的分辨率分别可达横向：的分辨率分别可达横向：0.Inm 0.Inm、纵向：、纵向：0.01nm0.01nm。第5页/共32页(2)(2)可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有具
7、有 周期性或不具备周期性的表面结构的研究。周期性或不具备周期性的表面结构的研究。(3)(3)可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或相或 整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表表 面重构、表面吸附体的形态和位置。面重构、表面吸附体的形态和位置。硅硅(111)(111)面面7 77 7原子原子重构像：为了得到表面重构像：为了得到表面清洁的硅片单质材料，清洁的硅片单质材料，对硅片进行高温加热和对硅片进行高温加热和退火处理，在加热和退退火处理，在加热和退火处理的过程中硅表面火处理的过程中硅表面
8、的原子进行重新组合，的原子进行重新组合，结构发生较大变化，这结构发生较大变化，这就是所谓的重构。就是所谓的重构。第6页/共32页(4)(4)可可在在真真空空、大大气气、常常温温等等不不同同环环境境下下工工作作，样样品品甚甚至至可可浸浸在在水水和和其其他他溶溶液液中中，不不需需要要特特别别的的制制样样技技术术并并且且探探测测过过程程对对样样品品无无损损伤伤这这些些特特点点特特别别适适用用于于研研究究生生物物样样品品和和在在不不同同实实验验条条件件下下对对样样品品表表面面的的评评价价，例例如如对对于于多多相相催催化化机机理理、超超一一身身地地创创、电电化化学学反反应应过过程程中中电极表面变化的监测
9、等。电极表面变化的监测等。液体中观察原子图象 下图所示的是在下图所示的是在电解液中得到的硫酸电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶根离子吸附在铜单晶(111)(111)表面的表面的STMSTM图图象。图中硫酸根离子象。图中硫酸根离子吸附状态的一级和二吸附状态的一级和二级结构清晰可见。级结构清晰可见。第7页/共32页(5)(5)配配合合扫扫描描隧隧道道谱谱（STSSTS）可可以以得得到到有有关关表表面面电电子子结结构构的的信信息息，例例如如表表面面不不同同层层次次的的态态密密度度。表表面面电电子子阱阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等(6)(6)利利用用
10、STMSTM针针尖尖，可可实实现现对对原原子子和和分分子子的的移移动动和和操操纵纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础这为纳米科技的全面发展奠定了基础 1990 1990年，年，IBMIBM公司的科学家展示了一项成果，他们在公司的科学家展示了一项成果，他们在金属镍表面用金属镍表面用3535个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBMIBM”三个三个英文字母。英文字母。第8页/共32页2隧道效应隧道效应 对于经典物理学来说，当一个粒子的动能对于经典物理学来说，当一个粒子的动能 E E 低于前低于前方势垒的高度方势垒的高度 V V0 0 时，它不可能越过此势垒，即透射系数时，它不可能越过此势垒，
11、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穿过比它能量更高的势垒(如图如图1)1)这个现象称为隧道效应。这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，透射系数而引起的，透射系数 T T 为：为：可见：可见：T T与势垒宽度与势垒宽度aa，能量差，能量差(V(V0 0-E)-E)以及粒子的质量以及粒子的质量m m有着很敏感有着很敏感的关系。随着势垒厚的关系。随着势垒厚(宽
12、宽)度度aa的增加，的增加，T T将指数衰减。将指数衰减。第9页/共32页 扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探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距离非常接近 (通常小于通常小于1nm)1nm)时，在外加电场的作用时，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。下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。隧道电流隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离之间距离S S 以及平均功函数以及平均功函数有关：有
13、关：3扫描隧道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理式中式中V Vb b是加在针尖和样品之间的偏置电压。是加在针尖和样品之间的偏置电压。1 1和和2 2分别为分别为针尖和样品的功函数，针尖和样品的功函数，A A为常数，在真空条件下约等于为常数，在真空条件下约等于1 1。第10页/共32页 由上式可知，隧道电流强度由上式可知，隧道电流强度 I I 对针尖和样品之间的距离对针尖和样品之间的距离 a a 有着指数依赖关系，当距离减小有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm0.1nm，隧道电流即增加，隧道电流即增加约一个数量级。因此，当针尖和样品表面做相对移动时，根据约一个数量级。因此，当针尖和样品表
14、面做相对移动时，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，如果同时对的信息，如果同时对x x-y y方向进行扫描，就可以直接得到三维方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。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：扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高恒电流模式和恒高度模式。度模式。第11页/共32页1.1.隧道针隧道针尖尖三三.实验仪器和样品实验仪器和样品 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题隧道针尖的结构是
15、扫描隧道显微技术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扫描隧道之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。子态。.针尖的宏观结构应具有高的弯曲共振频率，可减少相位滞针尖的宏观结构应具有高的弯曲共振频率，可减少相位滞后，提高采集速度。后，提高采集速度。.针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，这样针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，这样隧道电流才会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。隧道电流才会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。.针尖的
16、化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表针尖的化学纯度高，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，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。第12页/共32页制备针尖的方法制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型目前主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。法等。制备针尖的材料制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂主要有金属钨丝、铂-铱合金丝铱合金丝等。等。钨针尖钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而的制备常用电化学腐蚀法。而铂铂-铱合金针铱合金针尖尖
17、则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。导电性。电化学腐蚀法制备的电化学腐蚀法制备的
18、钨针尖钨针尖用机械成型法剪切的用机械成型法剪切的铂铂-铱合金针尖铱合金针尖第13页/共32页2.2.三维扫描控制器三维扫描控制器压电陶瓷：压电陶瓷：由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。所谓压电陶瓷是扫描控制器件。所谓压电陶瓷是指，当在压电陶瓷对称的两端加上电压时，压电陶瓷会按特指，当在压电陶瓷对称的两端加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的定
19、的方向伸长或缩短，而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电大小成线性关系。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅Pb(Ti,Zr)OPb(Ti,Zr)O3 3(简称简称PZT)PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将单的方式将 1mV-1000 V 1mV-1000 V 的电压信号转换成十几分之一纳米的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。到几微米的位移。三维扫描控制器：三维扫描控制器：用压电陶瓷材料制成的
20、三维扫描控制器用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。下图主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。下图给出了这几种类型的结构示意简图，其中：给出了这几种类型的结构示意简图，其中：(a)(a)为三脚架型，为三脚架型，(b)(b)为单管型，为单管型，(c)(c)为十字架配合单管型。为十字架配合单管型。第14页/共32页第15页/共32页(a)(a)为为三三脚脚架架型型：由由三三根根独独立立的的长长棱棱柱柱型型压压电电陶陶瓷瓷材材料料以以相相互互正正交交的的方方向向结结合合在在一一起起，针针尖尖放放在在三三脚脚架架的的顶顶端端，三条腿独立地伸展与收缩
21、，使针尖沿三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-zx-y-z三个方向运动。三个方向运动。(b)(b)为为单单管管型型：陶陶瓷瓷管管的的外外部部电电极极分分成成面面积积相相等等的的四四份份，内内壁壁为为一一整整体体电电极极，在在其其中中一一块块电电极极上上施施加加电电压压，管管子子的的这这一一部部分分就就会会伸伸展展或或收收缩缩(由由电电压压的的正正负负和和压压电电陶陶瓷瓷的的极极化化方方向向决决定定)，导导致致陶陶瓷瓷管管向向垂垂直直于于管管轴轴的的方方向向弯弯曲曲。通通过过在在相相邻邻的的两两个个电电极极上上按按一一定定顺顺序序施施加加电电压压就就可可以以实实现现在在x-yx-y方方向向的
22、的相相互互垂垂直直移移动动。在在z z方方向向的的运运动动是是通通过过在在管管子子内内壁壁电电极极施施加加电电压压使使管管子子整整体体收收缩缩实实现现的的。管管子子外外壁壁的的另另外外两两个个电电极极可可同同时时施施加加相相反反符符号号的的电电压压使使管管子子一一侧侧膨膨胀胀，相相对对的的另另一一侧侧收收缩缩，增增加加扫扫描描范范围围，亦亦可可以以加加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。上直流偏置电压，用于调节扫描区域。(c)(c)为为十十字字架架配配合合单单管管型型：z z方方向向的的运运动动由由处处在在“十十”字字型型中中心心的的一一个个压压电电陶陶瓷瓷管管完完成成，x x和和y y扫扫描描
23、电电压压以以大大小小相相同同、符符号号相相反反的的方方式式分分别别加加在在一一对对x x、-x-x和和y y、-y-y上上。这这种种结结构构的的x-yx-y扫扫描描单单元元是是一一种种互互补补结结构构，可可以以在在一一定定程程度度上上补补偿热漂移的影响。偿热漂移的影响。第16页/共32页3.减震系统 由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm1nm，同，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰必须隔绝的两种类型的扰动
24、是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。隔绝震动主隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。提提高高仪仪器器的的固固有有频频率率和和使使用用震震动动阻阻尼尼系系统统：用用于于隔隔绝绝外外界界震震动动，如如建建筑筑物物的的震震动动，通通风风管管道道、变变压压器器和和马马达达的的震震动动、工工作作人人员员所所引引起起的的震震动动等等，其其频频率率一一般般在在1 1到到100Hz100Hz之之间。间。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的底底座座常常常常采采用用金金属属板板（或或大大理理石石）和和橡橡胶胶垫垫叠叠
25、加加的的方方式式，用用来来降降低低大大幅幅度度冲冲击击震震动动所所产产生生的的影影响响，其其固固有有阻阻尼尼一一般般是是临临界界阻阻尼尼的的十十分分之之几几甚甚至至是是百百分分之之几。几。测测量量时时，探探测测部部分分(探探针针和和样样品品)通通常常罩罩在在金金属属罩罩内内，金金属属罩罩的的作作用用主主要要是是对对外外界界的的电电磁磁扰扰动动、空空气气震震动动等等干干扰扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。信号进行屏蔽，提高探测的准确性。第17页/共32页 在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。描隧道显微镜仪器的减震
26、要求。某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合诸如诸如磁性涡流阻尼磁性涡流阻尼等其它减震措施。等其它减震措施。第18页/共32页4.4.电子学控制系电子学控制系统统 扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜是是一一个个纳纳米米级级的的随随动动系系统统，因因此此，电电子子学学控控制制系系统统也也是是一一个个重重要要的的部部分分。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜要要用用计计算算机机控控制制步步进进电电机机的的驱驱动动，使使探探针针逼逼近近样样品品，进进入入隧隧道道区区，而而后后要要不不断断采采集集隧隧道道电电流流，在在恒恒电电流流模模式式中中还还要要将将隧隧道道
27、电电流流与与设设定定值值相相比比较较，再再通通过过反反馈馈系系统统控控制制探探针针的的进进与与退退，从从而而保保持持隧隧道道电电流流的的稳稳定定。所所有有这这些些功功能能，都都是是通通过过电电子子学学控控制制系系统统来来实实现现的的。图图1 1给给出出了了扫扫描描隧道显微镜电子学控制系统的框图。隧道显微镜电子学控制系统的框图。该该电电子子反反馈馈系系统统最最主主要要的的是是反反馈馈功功能能，这这里里采采用用的的是是模模拟拟反反馈馈系系统统，即即针针尖尖与与样样品品之之间间的的偏偏压压由由计计算算机机数数模模转转换换通通道道给给出出，再再通通过过X X、Y Y、Z Z偏偏压压控控制制压压电电陶陶
28、瓷瓷三三个方向的伸缩，进而控制针尖的扫描。个方向的伸缩，进而控制针尖的扫描。第19页/共32页第20页/共32页四四.在线扫描控制和离线数据处理软在线扫描控制和离线数据处理软件件 在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，起作用的主在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，起作用的主要部分为要部分为在线扫描控制在线扫描控制和和离线数据分析离线数据分析“隧道电流隧道电流”：指指“恒流模式恒流模式”中要保持的恒定电流，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。离。该数值设定越大，这一恒定距离也越小该数值设定越大，这一恒定距离也越小。
29、测量时。测量时“隧隧道电流道电流”一般设在一般设在“0.5-1.0nA0.5-1.0nA”范围内。范围内。（一）在线扫描控制（一）在线扫描控制1 1参数设置参数设置“偏置电压偏置电压”：是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。电流的电压真实值。这一数值设定越大这一数值设定越大，针尖和样品之间越，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小距离越小；“恒高扫描模式恒高扫描模式”中产生的隧道电流也越大。中产生的隧道电流也越大。“偏置电压偏置电压”值值一般设定在一般设定在“200-1000m
30、V200-1000mV”范围左右。范围左右。第21页/共32页“增增益益调调节节”：反反馈馈回回路路的的增增益益调调节节，一一般般设设置置在在5050左左右。右。“Z Z电压电压”：是指加在三维扫描控制器中是指加在三维扫描控制器中Z Z轴压电陶瓷材料上轴压电陶瓷材料上的真实电压。的真实电压。Z Z电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一数值要发生变化。着扫描的进行，这一数值要发生变化。“Z Z电压电压”在探针远离样在探针远离样品时的初始值一般设定在品时的初始值一般设定在“-150.0mV-150.0mV-200.0mV-200.0mV”
31、左右。左右。“扫描范围扫描范围”：是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大值有量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的值有量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。“时间常数时间常数”：也是反馈回路，一般设置在上午也是反馈回路，一般设置在上午9 9点位置。点位置。这这些些参参数数的的设设置置，一一般般利利用用电电子子系系统统中中电电子子控控制制箱箱上上的的旋旋钮钮进进行行设设置置和和调调节节。在在线线扫扫描描软软件件的的设设置置要要和和控控制制箱箱上上的设置一致。的
32、设置一致。第22页/共32页 2.2.马达控制马达控制 软软件件控控制制马马达达使使针针尖尖逼逼近近样样品品，马马达达控控制制软软件件将将控控制制步步进进电电机机以以一一个个微微小小的的步步长长转转动动，使使针针尖尖缓缓慢慢靠靠近近样品，直到进入隧道区为止。样品，直到进入隧道区为止。马马达达控控制制的的操操作作方方式式为为：“马马达达控控制制”选选择择“”键键，进进行行连连续续逼逼近近，当当检检测测到到的的隧隧道道电电流流达达到到一一定定数数值值后后，计计算算机机会会进进行行警警告告提提示示，并并自自动动停停止止逼逼近近，此此时时单单击击“”“”键键，直直到到“Z Z电电压压”的的数数值值接接
33、近近100100时时停停止止逼逼近近，再再按按“”“”键使马达离开针尖，完成马达控制操作。键使马达离开针尖，完成马达控制操作。（二）（二）离线数据分析离线数据分析 离离线线数数据据分分析析是是指指脱脱离离扫扫描描过过程程之之后后的的针针对对保保存存下下来来的的图图象象数数据据的的各各种种分分析析与与处处理理工工作作。常常用用的的图图象象分分析析与与处处理理功功能能有有：平平滑滑、滤滤波波、傅傅立立叶叶变变换换、图图象象反反转转、数据统计、三维生成等。数据统计、三维生成等。第23页/共32页平平滑滑：平平滑滑的的主主要要作作用用是是使使图图象象中中的的高高低低变变化化趋趋于于平平缓，消除数据点发
34、生突变的情况。缓，消除数据点发生突变的情况。滤滤波波：滤滤波波的的基基本本作作用用是是可可将将一一系系列列数数据据中中过过高高的的削削低低、过过低低的的添添平平。因因此此，对对于于测测量量过过程程中中由由于于针针尖尖抖抖动动或或其其它它扰扰动动给给图图象象带带来来的的很很多多毛毛刺刺，采采用用滤滤波波的的方方式可以大大消除。滤波又分为低通滤波和高通滤波。式可以大大消除。滤波又分为低通滤波和高通滤波。图图象象反反转转：将将图图象象进进行行黑黑白白反反转转，会会带带来来意意想想不不到到的的视觉效果。视觉效果。三三维维生生成成：根根据据扫扫描描所所得得的的表表面面型型貌貌的的二二维维图图象象，生生成
35、直观美丽的三维图象。成直观美丽的三维图象。大大多多数数的的软软件件中中还还提提供供很很多多其其它它功功能能，综综合合运运用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象。用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象。第24页/共32页五五.测量用样品测量用样品1.1.光栅样品光栅样品 理理想想的的光光栅栅表表面面形形貌貌如如图图，为为1mX1m1mX1m的的光光栅栅表表面面形形貌貌图图。使使用用扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜，对对于于这这种种已已知知的的样样品，很容易测得它的表面形貌的信息。品，很容易测得它的表面形貌的信息。新鲜的光栅表面没有缺陷，新鲜的光栅表面没有缺陷，若在扫描过程中发生了撞针若在扫描
36、过程中发生了撞针现象，则容易造成人为的光现象，则容易造成人为的光栅表面的物理损坏，或者损栅表面的物理损坏，或者损坏扫描针尖。在这种情况下坏扫描针尖。在这种情况下一是采取更换新针尖，二是一是采取更换新针尖，二是适当改变一下样品放置的位适当改变一下样品放置的位置，或选择适当的扫描区域。置，或选择适当的扫描区域。第25页/共32页2 2石墨样品石墨样品 当当用用扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜扫扫描描原原子子图图象象时时，通通常常选选用用石石墨墨作作为为标标准准样样品品。石石墨墨中中原原子子排排列列呈呈层层状状，而而每每一一层层中中的的原原子子则则呈呈周周期期排排列列，表表面面形形貌貌如如下下图图。由由
37、于于石石墨墨在在空空气气中中容容易易氧氧化化，因因此此在在测测量量前前应应首首先先将将表表面面一一层层揭揭开开（通通常常用用粘粘胶胶带带纸纸粘粘去去表表面面层层），露露出出石石墨墨的的新新鲜鲜表表面面，再再进进行行测测量量。因因为为此此时时要要得得到到的的是是原原子子的的排排列列图图象象，而而任任何何一一个个外外界界微微小小的的扰扰动动，都都会会造造成成严严重重的的干干扰扰。因因此此，测测量量原原子子必必须须在在一一个个安安静静、平平稳稳的的环环境中进行，对仪器的抗震及抗噪声能力的要求也较高。境中进行，对仪器的抗震及抗噪声能力的要求也较高。第26页/共32页CuPcOC8CuPcOC8分子在分
38、子在HOPGHOPG表面形成的表面形成的高度有序的分子高度有序的分子自组装膜结构。自组装膜结构。扫描范围：扫描范围：25.4nm25.4nm25.4nm25.4nm成像条件：成像条件：647mV647mV，398pA.398pA.3.CuPcOC8分子第27页/共32页 卟啉分子在石墨卟啉分子在石墨表面形成高分辨图表面形成高分辨图象。象。扫描范围：扫描范围：15nm15nm,15nm15nm,成像条件：成像条件：817mV,1060nA817mV,1060nA 4.卟啉分子卟啉分子第28页/共32页5.5.未知样品未知样品通过对已知样品的测量，我们可以确定针尖制备的好坏，通过对已知样品的测量，
39、我们可以确定针尖制备的好坏，选择一个较好的针尖，对未知样品进行测量。通过对扫描选择一个较好的针尖，对未知样品进行测量。通过对扫描所得图象进行各种图象处理，来分析未知样品的表面形貌所得图象进行各种图象处理，来分析未知样品的表面形貌信息。信息。实验方法提示实验方法提示(1)(1)做针尖做针尖(2)(2)将将样样品品放放在在样样品品台台上上，并并安安装装针针尖尖。使使针针尖尖与与样样品品间间距约为距约为1-0.5mm1-0.5mm。(3)(3)运运行行STMSTM工工作作软软件件，打打开开控控制制箱箱，将将“隧隧道道电电流流”置置为为1nA1nA，“偏偏置置电电压压”置置为为1000 1000 mV
40、mV，扫扫描描范范围围置置为为1 110 10，放大倍数设置为，放大倍数设置为2020等等。等等。(4)(4)实实验验结结束束后后，一一定定要要 用用“马马达达控控制制”的的“连连续续退退”操操作作 将针尖退回，然后再关闭实验系统。将针尖退回，然后再关闭实验系统。(5)(5)STMSTM仪仪器器比比较较精精致致，而而且且价价格格昂昂贵贵，操操作作过过程程中中动动作作一一定要轻，避免造成设备损坏。定要轻，避免造成设备损坏。第29页/共32页六六.实验思考题实验思考题1 1扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的工工作作原原理理是是什什么么？什什么么是是量量子子隧道效应？隧道效应？2 2扫扫描描隧隧道道显
41、显微微镜镜主主要要常常用用的的有有哪哪几几种种扫扫描描模模式式？各有什么特点？各有什么特点？3 3仪仪器器中中加加在在针针尖尖与与样样品品间间的的偏偏压压是是起起什什么么作作用用的的？针尖偏压的大小对实验结果有何影响？针尖偏压的大小对实验结果有何影响？4 4实验中隧道电流设定的大小意味着什么？实验中隧道电流设定的大小意味着什么？第30页/共32页七七.在扫描隧道显微镜基础上又发展起来各种新型显微镜在扫描隧道显微镜基础上又发展起来各种新型显微镜 例例如如，原原子子力力显显微微镜镜（AFMAFM）、激激光光力力显显微微镜镜（LFMLFM）、磁磁力力显显微微镜镜（MFMMFM）、弹弹道道电电子子发发
42、射射显显微微镜镜（BEEMBEEM）、扫扫描描离离子子电电导导显显微微镜镜（SICMSICM）、扫扫描描热热显显微微镜镜和和扫扫描描隧隧道道电电位位仪仪（STPSTP）等等等等。这这些些新新型型的的显显微微镜镜，都都利利用用了了反反馈馈回回路路控控制制探探针针在在距距离离样样品品表表面面1nm1nm处处或或远远离离样样品品表表面面扫扫描描（或或样样品品相相对对于于探探针针扫扫描描）的的工工作作方方式式，用用来来获获得得扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜不不能能获获得得的的有有关表面的各种信息，对关表面的各种信息，对STMSTM的功能有所补充和扩展。的功能有所补充和扩展。第31页/共32页感谢您的观看。第32页/共32页