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扫描隧道显微镜分析原理及方法 Scanning Tunneling Microscope STM 概述 优点与应用 原理 STM仪器 局限性与发展 概述：　　1933年，德国和等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如：TEM、SEM、FEM、FIM、LEED、AES等。1982.年，国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig博士和 Heinrich Rohrer博士及其同事共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——STM。它的出现使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重广阔的前景，被国际科学界认为八十年代世界十大科技成就之一。 优点与应用： 具有原子级高分辨率。表面原子结构的研究：表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置等 可实时地得到在实空间中表面的三维图象。可实时观测性可用与表面扩散等动态过程的研究 工作环境范围广。真空、大气、常温。水或其它溶液。因此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，如对多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面的监测等 配合STS 可以得到有关表面电子结构的信息。表面态的研究：表面电子态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒变化和能隙结构等 　ＳＴＭ与ＥＭ、ＦＩＭ的各项性能指标比较 原理： STM仪器： 电子反馈系统控制隧道电流 计算机控制针尖扫描 针尖将随样品表面起伏而起伏 得到表面的第三维信息 STM仪器： 振动隔绝系统 合成橡胶缓冲垫 弹簧悬挂 磁性涡流阻尼 机械设计 压电陶瓷 隧道针尖 计算机控制系统 硬件 软件 机械设计： 在ｚ方向的伸缩范围至少为１?ｍ，精度约为０。０１ｎｍ 在ｘ和ｙ方向的扫描范围至少为１?ｍｘ１?ｍ，精度应在左右０。０１ｎｍ 在ｚ方向机械调节的精度应高于０。１ ?ｍ，其精度至少应在压电陶瓷驱动器方向长度变化范围内，这个变化范围由驱动点压和压电陶瓷材料的压电系数所决定。机械调节的范围应在１ｍｍ以上 能在较大的范围内选择感兴趣的区域扫描 针尖与样品之间的间隙尽可能具有较高的稳定性，即具有较高的机械振动频率 隧道针尖： 隧道针尖结构的影响 制备针尖的方法：电化学腐蚀法、机械成型法  STM仪器：隧道针尖结构的影响 计算机控制系统：硬件 计算机控制系统：软件 扫描 表面扫描 扫描隧道谱 功函数谱 定标 定标视图 图象处理 滤波 对比度拉伸 三维表面显示 纳米加工 HL-II 型扫描探针显微镜 HL-II 型扫描探针显微镜 HL-II 型扫描探针显微镜 局限性与发展:局限 不能准确探测微粒间的某些沟槽 要求样品必须是导体、半导体 局限性与发展:发展 AFM (Atomic Force Microscope) LFM (Laser Force Microscope) MFM (Magnetic Force Microscope) EFM (Electrostatic Force Microscope) BEEM (Ballistic-Electron-Emission Microscope) SICM (Scanning Ion-Conductance Microscope) STP (Scanning Tunneling Potentiometry) PSTM (Photon Scanning Tunneling Microscope) SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscope) AFM HL-II 型扫描探针显微镜 探头 集STM, AFM为一体 扫描范围可手工粗调 样品厚度可达10mm 演示文稿3.ppt * * 红细胞三维图像 DNA双螺旋结构 细胞膜的表面结构 细胞生长 原子厚度 有 ３０～８０ｋ 超高真空 原子级 ＦＩＭ １０ｍｍ（１０倍时） １?ｍ（１０００倍时） 小 室温 高真空 ６～１０ｎｍ ＳＥＭ 〈１００ｎｍ 小 室温 高真空 点分辨（０。３～０。５ｎｍ） 晶格分辨（０。１～０。２ｎｍ） ＴＥＭ １～２原子层 无 室温或低温 实环境、大气、溶液、真空 原子级 （垂直０。０１nm） （横向０。１nm） ＳＴＭ 检测深度 对样品破坏程度 样品环境温度 工作环境 分辨率 ? A tunneling current 扫描隧道显微镜 (1981) tip sample I ? e2?d = A ? ??+?) ? ? 隧道电流 分辨率 ?(nm)? 0.1? ?eff 0.05nm 10A A＝3 在理想的机械设计中应满足如下要求： 压电陶瓷：压电现象 Schematics and