扫描隧道显微镜实验报告_扫描隧道显微镜综述

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扫描隧道显微镜实验报告

【摘要】扫描隧道显微镜的英文缩写是STM(scanning tunneling microscope，STM)。本实验通过使用STM来观测样品表面的微观结构。

【关键词】STM 隧道效应 恒电流 恒高度

【引言】STM是20世纪80年代初期出现的一种新型表面分析工具。由德国人宾宁(G.Binnig,1947-)和瑞士人罗勒(H.Roher,1933-)1981年发明，根据量子力学原理中的隧道效应而设计。宾宁和罗勒因此获得1986年诺贝尔奖.1988年，IBM科学家从由扫描隧道显微镜激发的纳米尺度的局部区域观测到了光子发射，从而使发光及荧光等现象能够在纳米尺度上进行研究。1989年，IBM院士（IBM Fellow）Don Eigler成为第一个能够对单个原子表面进行操作的人，通过用一台“扫描隧道显微镜”操控35个氙原子的位置，拼写出了“I-B-M”3个字母。1991年，IBM科学家演示了一个原子开关。

STM的出现在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中存在重大的意义，被国际科学界公认为20实际世纪80年代世界十大科技成就之一。【正文】

一、实验原理

1、隧道效应以及隧道电流的产生

在经典力学中，电子的总能量 E 可表示为：

EPzUZ

(1)2m其中UZ为电子势能，PZ为电子的动量。

对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，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(如图1)这个现象称为隧道效应。

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，当样品与针尖的距离非常接近(通常小于1nm)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，形成隧道电流。

IVexpKS

(2)

其中K2m/h

由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，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的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。

2、扫描隧道显微镜主要工作模式（本次实验采用恒电流模式）恒电流模式：如图（a）所示

x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。恒高度模式：如图(b)所示

在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

二、实验仪器

STM 扫描隧道显微镜，STM控制器，STM控制软件

图1 STM 扫描隧道显微镜 图2 STM控制器

三、实验操作方法

1、针尖的制备

首先用丙酮溶液对针、鑷子和剪刀进行清洁，用脱脂棉球对它们进行多次清洗。少等片刻让针、鑷子和剪刀完全干燥。接着拿鑷子用力夹紧针的一端，慢慢的调整剪刀使剪刀和针尖的另一端成一定角度(30～45 度左右)，握剪刀的手在拌有向前冲力(冲力方向与剪刀和针所成的角度保持一致)的同时，快速剪下，形成一个针尖。然后以强光为背景对针尖进行观察，看它是否很尖锐，否则重复上述操作。

2、样品的制备

用透明胶带将石墨表层的不平粘去，使之变得平整。

3、用镊子小心的将针尖插入针槽內(切勿反插)，在针槽外的長度约为 5～6mm，扞入时保持针与针槽内壁有较强的摩擦力，以确保针的稳固(方法是先将针事先稍微折弯后再插入)。手调节机座上前方两个帶螺旋测微仪的旋钮，逆时针调节(退针)十多圈左右。再把探头以针尖朝下的方向缓慢平稳的安放在平台上。注意探头1.5cm宽的缺口处朝前方，探头端面的两个凹孔应正好落在平台前面的两个支架上，此时针尖应正好指向样品表面。

4、启动计算机，打开控制器电源开关。单击桌面的“AJ-1”图标，执行操作软件，屏上会出现高度图像(H)、Z 高度显示(T)、马迖高级控制(A)共三个操作框。

5．手动进针。首先仔细观察样品表面位置并找到镜像小红灯，此时可在样品表面上看到在镜像红灯背景下的镜像针尖。因而可以估计出针尖与样品(镜面)之间的间距。接着用计算机实行一次“单步进”操怍，再用手顺时针调节两个螺旋测微仪旋钮，观察背景镜像红灯使实际针尖和镜像针尖的距离缓慢靠近，直至两针尖距离十分接近为止(千万不能接触!)。在计算机屏上单击菜单“视图Z 高度”，出现“Z 高度面板”，观察红线应居于OV，如果红线达到-100V即为撞针，针尖报废，需重新再制备和安装新针尖。如果一切正常就可开始扫描图像。6．自动进针。在计算机控制主界面上，单击“马达高级控制”菜单，再在马达高级控制面板(A)中单击“连续进”，并密切注意观察屏上显示进针情況，待“己进入隧道区马达停止连续进”的提示框出现后，再点击“确定”，此时红线应在-100—0V 之间。然后进行单步操作，即单击马达高级控制面板(A中的“单步进”，使红线最后调节于中间位置时停止操作，进针结束。最后关闭“马达高级控制面板(A)”图框。

7．针尖检验。在屏上打开“ IZ曲线 Z”图(即 IZ的高度曲线图)，出现“高度图像”后在最左端单击“扫描”，实现针尖在样品表面扫描。扫描完毕后观察图中电流衰减情况，如果图中的曲线越陡峭，同时变化不大就说明针尖好。

四、实验数据与结果 第一次数据与结果：

第二次数据与结果：

五、实验总结及误差分析

通过本次实验的完成了解了扫描隧道显微镜的基本原理，从本质上理解了扫描隧道显微镜的作用。在本次实验中我们基本掌握了拔针的手法，以及运用STM获得了高序石墨的表面形貌。本次实验所获得的实验图像效果不好存在多方面原因。对其进行误差分析：

1、拔针手法不够娴熟，使得针不够好；

2、在调节计算机软件相关参数时出现的偏差；

3、可能由于实验系统本身的误差。