扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展

《扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、陕西理工学院毕业论文扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展吴冰冰（陕理工物理系物理学073班级，陕西汉中723001）指导教师：王亚辉[摘要]扫描隧道显微镜的主要工作原理就是利用了量子隧道效应，通过测量针尖与样品表面之间的隧道电流来分辨样品表面的形貌。本文研究了扫描隧道显微镜的工作原理及其运用。[关键词]隧道效应；原子分辨率；工作模式;运用引言作为一种新型的显微镜，扫描隧道显微镜的出现极大的拓展了人们的视野，同时也把人类研究带入了纳米时代。本文将讨论扫描隧道显微镜的工作原理，它的工作主要部件及其在科学上的应用。在1924年，德布罗意预言了粒子具有波粒二象性。1927年戴维孙等人利用电子衍射

2、实验证实了德布罗意的波粒二象性，粒子的波粒二象性的重要结论就是电子的隧道效应[1]。1981年葛宾尼和他的导师海罗雷尔在罗伯特杨的启发下研制出了第一台扫描隧道显微镜（STM）[2]。这种具有原子分辨率的显微镜极大的提高了人们的视野，使人们观测事物结构的本领由光学显微镜的200nm进入到电子显微镜的几个nm再次提升到原子分辨率级。这种新型的显微镜就是扫描隧道显微镜，它是利用利用量子力学中的隧道效应，在两层金属之间加上一层绝缘层形成一个隧道结，这时电子通过隧道时会产生隧道电流，形成隧道效应，隧道层的微小变化可以导致隧道隧道电流的极大变化，因此可以利用扫描隧道显微镜观察到表面的起伏变化，再

3、由软件合成出它的表面图形。隧道扫描显微镜可以看到表面的一个个原子。它的分辨率可以到达横向1Å纵向0.01Å。扫描隧道显微镜的出现极大的延伸了人类的视觉感官功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，它不仅是显微科学技术的一次革命，更是在物理学，化学表面科学，材料科学，生命科学等领域都获得广泛的应用，被公认为20世纪80年代十大科技成就之一，标志着一个科技新纪元即纳米科学时代的开始[3]。1扫描隧道显微镜（STM）的工作原理及其结构1.1STM的工作原理STM的工作原理就是利用量子力学中的隧道效应，通过测量探针与被测样品之间的隧道电流的变化来分辨固体表面的形貌。考虑在一维空间运动的粒子，它的

4、势能在的区域内为常量，而在区域外等于。当粒子以一定的能量由的区域向右运动时，在经典力学中只有能量大于的粒子才能越过势垒由进入到势垒的右边的区域，能量小于的粒子则不能运动到势垒避的右边[3]。然而在量子力学中能量小于的粒子也有可能穿过势垒到达势垒的右边即区域，这好像在势垒处打了一条通道让粒子通过。这就是量子力学的隧道效应。粒子由势垒左边运动到右边的可能性用可以用透射系数来表示第6页共8页陕西理工学院毕业论文式中的是常数，是势垒的高度，是势垒的宽度。由此可见投射系数随势垒的加宽或加高按指数规律减小。为了进一步说明STM的工作原理，现在我们来考虑这样的模型，两片被一层厚为a的绝缘层隔开的两

5、片金属里的电子，给两片金属之间加上一个电压V，这时绝缘层就是一个势垒，它阻止了两层金属间的电子运动，它阻止了电子从一块金属上打达另外一块。在经典物理中，电子是无论如何也不能从一块金属越过绝缘层到达另外一块金属，但是根据量子力学的隧道效应，电子可以通过隧道效应从一块金属越过绝缘层到达另外一块金属，从而形成隧道电流。根据量子力学，处于某一能级E的电子的穿透系数乘上单位时间内从内部到达表面的数量在乘上电子所带的电量即为隧道电流，显然，其中A是取决于E和U以及金属表面性质的常量，由上式可以看出隧道电流随势垒宽度（即绝缘层的厚度）的增加按指数规律减小。在进一步的计算中我们可以知道当势垒的宽度改

6、变一个原子的限度（3Å）时，隧道电流将改变1000倍[3]，所以说隧道电流的大小随绝缘层的厚度变化而变化是相当灵敏的。因此STM可以观察到金属表面上极小的变化。1.2STM的结构一般的来说隧道扫描显微镜主要由三个部分组成：显微镜主题，控制电路，计算机控制系统（测量软件及数据处理软件)[4]，在这其中最重要的就是主体，它包括了针尖平面扫描机构，针尖与样品距离控制调节机构，系统与外界震动隔离装置。1.2.1针尖结构根据量子力学的隧道效应可以知道隧道电流的大小与密切相关所以针尖的条件非常重要，理想的针尖只有一个稳定的原子，现在主要的针尖材料有钨（W），铂铱合金即75%的铂和25%的铱[5]

7、。制备针尖主要有两种技术，分别是机械成型法和电化学腐蚀法。机械法主要是剪切成型，应用在铂铱合金上，电法学腐蚀一般应用在钨针尖上。利用剪切成型的针尖成斜锥状，在利用这种针尖时由于针剂的宽度和形状的原因会使获得的图像会发生畸形，因此在使用时需要进行图像和扫描矫正，在进行图像矫正时难度较大，且要求较高。但是利用剪切法制作针尖方法简单，在一般情况下可以制得较好的针，也可以满足要求。电化学法主要用在钨针头的制作，制出的针尖其针头为圆锥状，其扫描出的图像与真实的图像比