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1 ? 经典物理学 It = 0 Vbias 空气或真空 Tip Sample It Vbias 空气或真空 Tip Sample It 隧穿? 隧道电流： It ? Vbexp（-A?? S） ? 量子力学—隧道效应(Tunneling effect) S 电焊？ A ： 常数，真空中 ? 1 Vb ： 偏压，2 mV ～ 2 V S ： 间距，0.3 nm ～ 1.0 nm ?S ? 0.1 nm ? ?It ? 10 倍！! 隧道电流：It ? Vbexp（-A?? S） 4-2 Vbias? Tip Sample It XY Scan 4.3 扫描隧道显微镜(STM)的基本原理 4-3 STM的工作原理是，将原子尺度的极细针尖和被测样品的表面作为两个电极，当样品与针尖的纵向距离S非常接近时（通常小于1nm），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个电极，形成隧道电流It。检测It的数值大小，即可知道当前的S数值，并可进一步推算出样品表面在该点的高度。将样品相对于针尖在横向扫描，It必定随着样品表面起伏而变化，检测每一扫描点处的It数值，可同样计算出样品表面每一点的高度值。将这些高度值绘制成三维图形，就获 得了样品表面的三维微观形貌。 STM的工作原理 35/50 为什么可用“粗大”的探针探测出极细小的原子？ 为什么可用“粗大”的手指头摸出细小的头发？ 只能用小探针去探测大物体 —— 原子针尖 因为针尖总有一个原子凸出！ 因为神经末梢比头发小 * * 第 四 章 ?? ?隧道效应理论与扫描隧道显微镜原理? 章海军 张冬仙 （2012. 02. 20） 本章提纲 4.1 隧道效应理论 4.2 隧道电流 4.3 扫描隧道显微镜（STM）的原理 4.4 STM系统的组成部分 4.5 STM的扫描模式 原子 乒乓球 乒乓球 原子直径: (需放大一亿倍) 扫描隧道显微术 Scanning Tunneling Microscope 0.1 nm～1 nm 0.1 mm TEM ～0.1 nm 光学显微镜 ～0.2 ?m 1674年 列文虎克 电子显微镜 SEM ～1 nm 1932年 鲁斯卡 1982年 宾尼罗雷尔 STM 0.01 nm 扫描隧道显微镜 4.1 隧道效应理论 在常规状态下，金属内部的自由电子无法逸出金属表面，因为金属表面存在一定高度的势垒。 势垒——Potential Barrier 金属 在什么状态下，内部自由电子 可以逸出金属表面？ 在什么状态下，内部自由电子 可以逸出金属表面？ 例一，光照射时产生的光电效应 4-1 爱因斯坦 (A. Einstein) 1879，3月14日出生于德 国乌尔姆； 1905，狭义相对论建立 和光量子论提出； 1914，柏林大学教授； 1915，广义相对论发表； 1921，诺贝尔物理学奖； 1933，普林斯顿教授； 1955，4月18日逝世于美 国普林斯顿。 金属 mV2 ＝ h?－A 1 2 一个电子只能吸收一个光子的能量，只有光子能量大于逸出功时，才能产生光电效应，使电子逸出金属表面。肯定吗？ V ?? ?0 飞秒激光的双光子效应 金属 V ??0 一个电子可以吸收两个或多个（能量小于逸出功的）光子的能量，产生光电效应，使电子逸出金属表面，或产生其他的物理变化。 10/50 量子理论 之 隧道效应 自由电子可以逸出金属表面 Other Possibility ? 量子力学(Quantum mechanics) （起源：1900年10月，普朗克黑体辐射公式） 其他表达式 普朗克 康 普 顿 Heisenberg Dirac （狄拉克如此聪明）为了不持续地被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做，得到了一些成果。 15/50 普朗克 (M. Planck, 1858 – 1947) 1918 狄拉克 (P. Dirac, 1902 – 1984) 1933 海森堡 (W. Heisenberg, 1901 – 1976) 1932 薛定谔 (E. Schrodinger, 1887 – 1961) 1933 爱因斯坦 (A. Einstein, 1879 – 1955) 1921 玻 恩 (M. Born, 1882 – 1970) …… 1954 量子力学的先驱者 图4.1 宽度为a的无限深势阱中的粒子 O a