扫描隧道显微技术及其应用论文.doc

复旦大学 近代物理实验书面报告 扫描隧道显微技术及其应用 摘要 Advent of scanning tunneling microscope (STM) enabled us to observe and manipulate surface atoms by using an STM tip. Based on the study on the behavior of surface electronics states, we know an important phenomena --- the existence of the “tunnel effect”. The research in the thesis could be divided into two parts, namely, the elements of “tunneling current” between an STM tip and sample surface atoms, and how to look into the fascinating world of the atoms by using STM system. Keywords: STM, atom, tunneling 引言 通过以前的学习过程，我们早就知道物质是由分子和原子组成的却很少有机会去亲眼看见它们的存在。STM（扫描隧道显微镜）可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图像。 扫描隧道显微技术是80年代才发展起来的一种新型表面分析技术。它的发明曾在学术界引起轰动，其发明者Gerd Binning 博士等也因此而获诺贝尔奖。 通过本实验，我们可以观测和验证量子力学的隧道效应，并且可以看到光栅和石墨等样品表面形貌和用计算机软件得到的数据图像。 理论上，扩展扫描显微技术除了观察表面结构和原子排列以外，在表面上还可以实现原子单位大小的具体操纵。但实验条件有限，这里只能进行观察。 本实验采用NanoSPM-Ⅲ型扫描隧道显微镜来观察光栅的表面结构和石墨表面的原子的排列。 隧道效应及STM工作原理 按照经典物理学的理论，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度vo时，它不可能穿过此势垒到达势垒的另一边，即其穿过势垒的几率为零。而按照量子力学的原理，由于粒子具有波动性，尽管粒子在势垒中的几率波函数迅速衰减，但如果势垒较窄，在势垒另一边波函数仍未衰减到零，也就是说，粒子有一定的几率穿过比它能量高的势垒，这个现象称为隧道效应。 对高度为 Vo、宽度为a的方势垒，根据量子力学原理，能量为E的电子穿过势垒的几率，即透射率可写为 T=16E(Vo-E)/Vo^ TITLE \* Lower \* MERGEFORMAT 2*exp[(-2a/h)(2m(Vo-E))^0.5] 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于表面边界之内。即，电子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10A，它是电子逸出表面势垒的量度。 如果探针和待测样品互相靠得很近，那么，它们表面的电子云就可能发生重叠。如果在两金属之间加一微小电压Vt，那就可以观察到它们之间的电流Jt(隧道电流） Jt ~ Vtexp(-A(fs)^0.5) 式中A 为常数，s 为两金属间距离，f 为样品表面的平均势垒高度。 这样，当探针在样品上扫描时，表面上小到原子尺度的特征就显现为隧道电流的变化。依此，可以分辨表面上分立的原子，提示出表面上原子的台阶、平台和原子列阵。 这就是扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）的基本原理。 实验部分 我们在本实验当中采用STM恒流模式观测光栅等样品表面的微观结构。整个操作过程的流程图如下 针尖和样品的制备用放大镜手动调整针尖初步靠近点击Approach自动进针，进针成功以后设置扫描范围等各种参数开始扫描得到图像并保存用NanoScape软件对得到的结果进行离线分析  实验装置图 实验当中我们采取的实验参数如下 样品高度范围电流范围扫描范围扫描速率比列增益积分增益设置点偏压光栅34.0nm1.50nA1580nm0.980Hz10.0010.000.516nA47.8mv石墨0.98nm0.50nA1.99nm0.980Hz9.5012.450.415nA45.2mv STM对工作环境非常敏感，那是因为它的工作原理和它的观察范围小到原子大小，因此外部的微小的环境变化可能对整个实验有很大的影响。探针的扫描速率是1Hz左右，来自外部的震动（说话的声音等噪音）影响到扫描工作，出现图像失真现像。而且外面下雨，实验室里的湿度高可能引起