扫描隧道显微镜的原理及应用

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1、扫描隧道显微镜的原理及应用*魏洪修长沙理工大学物理与电子科学学院AbstractThescanningtunnelingmicroscope(STM)isanimportantmicroscopictoolforresearchingsurfacephysicsandmicroscopicstructureofmaterial.AndSTMisnotonlyusedasobservingmachine,alsoasatooltocontrolatoms.Thispaperintroducesthetheoreticalprinciples

2、andbasicmodeofoperationofSTM,analysescomponentofSTM,andelaborateshowtousetheSTMtoresearchthesurfaceofgraphite.ItcanmakereadersunderstandthetheoreticalprinciplesandoperationalmethodofSTM.KeywordsSTM,Surfacestructure摘要扫描隧道显微镜是研究表面物理以及微观物质结构的重要显微工具，然而扫描隧道显微镜不仅仅是一种观察手段，而且也是一个

3、操纵原子的工具。本文将介绍扫描隧道显微镜的理论原理以及基本工作模式，分析扫描隧道显微镜的组成部分，并使用扫描隧道显微镜研究石墨表面。使读者能够理解扫描隧道显微镜的理论原理以及操作方法。关键词扫描隧道显微镜表面结构一引言20世纪80年代初，IBM苏黎世实验室的科学家宾尼（GerdBinnig）和罗雷尔（H.Rohrer）巧妙地利用量子力学中的隧道效应（tunneleffect，也称势垒贯穿）共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope，简写为STM），两人因此于198

4、6年荣获诺贝尔物理学奖。宾尼和罗雷尔在STM的实验中发现，探针的针尖偶尔也会拣起一个原子，IBM加利福尼亚阿尔马登研究中心的埃哈德·施外泽（ErhardSchweizer）最早利用STM这种移动电子的能力把原子排列成了“IBM”字样。STM的发明标志着人类进入了直接观察原子、操纵原子的时代，标志着在原子核分子水平根据人们的意愿设计、装饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。扫描隧道显微镜（STM）与其他高分辨显微镜（如透射电子显微镜和场离子显微镜

5、onmicroscope，简写为FIM>）相比有诸多显著优势：○1STM具有更佳的分辨率，平行和垂直于样品表面的分辨率分别可达到0.1nm和0.01nm；○2STM使用环境更宽松，不必像TEM和FIM那样需要高真空条件，可在溶液、大气中对样品实现直接观测，有利于对表面反应、扩散运动等动态过程的研究；○3STM还具有价格低、样品制备容易且操作简单等优点。二理论原理众所周知，在经典力学中，当一个粒子的能量E低于前方势垒的高度U0时，粒子将完全被弹回，它便不可能越过此势垒，即透射系数等于零。而在量子力学中，对于被观察的微观粒子在一般情况下，粒子

6、能够穿透能量比粒子能量更高的势垒，其透射系数不等于零，这一*魏洪修（1989—），男，山东文登人。邮箱：danninggewu@163.com现象被称为隧道效应（tunneleffect）。如图1所示，当质量为m、能量为E的粒子从左到右遇到高度为U0、宽度为U(xa的方形势垒时，描述粒子运动的薛定谔方程为U2⎧dψ2m(x<0,x>a)[1]+Eψ=0⎪⎪dx2ℏ⎨2dψ2m⎪⎪2+(E−U0)Eψ=0(0

7、1x+A'e−ik1x(x<0)1⎪ik2x−ik2x()⎨ψ2=Be+B'e0a)⎩3根据边界条件，经过一定的推算可得粒子透过势垒的透射系数T为2−2m(U−E)·a0T=Teℏ[3]0由式[3]可以看出透射系数T随势垒的宽度a成指数衰减。上述现象称为势垒贯穿，也就是隧道效应（tunneleffect）。此时在势垒中x处发现电子的概率密度ω为22−2m(U0−E)·xω∝ψ(0)eℏ[4]1STM的基本原理就是量子隧道效应。将原子线度的极细针尖和被研究物质的表面作为两个电极，在两电极间加一个偏压V，当极细

8、针尖接近样品表面（通常小于1nm）时，在针尖和样品表面之间就会产生克服间隙势垒的隧道电流。隧道电流的大小为()−φcφ⋅s[]I∝V⋅ρ0,E⋅e5F其中V和S分别为针尖和样品间的偏压和距离，