扫描隧道显微镜.doc

得分：_______ 南 京 林 业 大 学 研究生课程论文 2012～2013学年 第一学期 课 程 号：23379 课程名称：现代固体表达分析技术 论文题目：扫描隧道显微镜及其应用 学科专业：林产化学加工工程 学 号：3120324 姓 名：顾华祥 任课教师：王飞 二○一二 年 十二 月 扫描隧道显微镜及其应用 顾华祥 3120324 摘要：扫描隧道显微镜已在量子力学中的隧道效应的基础上研制成功，此后，一系列扫描探针显微镜在此基础上研制成功，并在科学研究中得到了广泛的应用。文章通过对扫描隧道显微镜的理论与应用研究的阐述，指明了它在纳米科技发展中的重要作用。 关键字：隧道效应；扫描隧道显微镜；探针；应用 Theoretical Investigation and Application of STM Gu Hua-xiang 3120324 Abstract: The STM has been made successfully according to the tunnel effect of quantum mechanics. On the basis of STM,a series of Scanning Probe Microscope (SPM) has been invented. At the same time, the SPM is supplied into various aspects of scientific research. By researching the theory and application of the STM, more important effects of STM in the nanometer science and technology are under studied. Key words: tunneling effect; STM; probe; application 世界第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy，STM )是Gerd Binnig和Heinrich Rohrer于1982年共同研制的[1,2]。它克服了电子显微镜必须用电子束工作，高速电子容易透入物质深处，而低速电子又容易被样品的电磁场偏折，因而很难对物质表面进行揭示的不足，二人因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。该技术被科学界公认为分析技术的一次革命，对表面化学、表面物理、生命科学、材料科学和微电子技术的研究有着重大的意义和广阔的应用前景。 扫描隧道显微镜是利用量子力学中的隧道效应，在两层金属之间夹一绝缘层制成一个隧道结，电子穿过隧道结产生隧道电流，形成电子的隧道效应。通过隧道电流的变化可以使人们“看到”固体表面一个个原子，甚至还可以分辨出百分之一个原子的面积，从而可以分辨固体表面原子结构的细微特征，横向分辨率达 1 ?，纵向分辨率达 0.01 ?。目前，该项技术被广泛地用于金属和半导体表面的表征。 1 STM的工作原理——量子力学中的隧道效应 隧道效应是微观粒子具有波粒二象性的结果，也是扫描隧道显微镜的理论基础。考虑在一维空间运动的粒子，其势能在0xa的区域内等于常量U0 (U0 0)，而在区域外等于0。当粒子以一定的能量E由x0的区域向右运动时, 在经典力学中，只有E大于U0的粒子才能越过势垒由x0的区域运动到势垒右面xa的区域；能量E小于 U0的粒子不能越过势垒运动到势垒右面。然而在量子力学中即使能量E小于U0的粒子也有一定的可能越过势垒运动到势垒右面，好象粒子在势垒处打通了一条隧道，粒子通过隧道运动到了右面，这就是量子力学中的隧道效应。粒子运动的可能性用透射系数D表示，式中D0是常数, U0是势垒的高度，a是势垒的宽度。由此可见，透射系数随势垒的加宽或加高而按指数规律减小[3]。 由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限在表面边界之内, 即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减，衰减长度约为1 nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠，如果在两金属间加一微小电压VT，那就可以观察到它们之间的电流JT(称为隧道电流)。将直径小到原子尺度的探针针尖和样品的表面作为两个电极，对电子而言，针尖和样品间的间隙相当于一个势垒，由上可知，电子的穿透几率与势垒的宽度呈负指数关系。当针尖和样品非常接近时(小于1 nm)，势垒变得很薄，电子云相互重叠，具有能量的电子就有一定的概率穿透势垒到达另一极，在两极之间加一电压，电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样