扫描隧道显微镜.docx

扫描隧道显微镜【作者】周朝健(08180139)物理081【摘要】隧道扫描显微镜是利用量子力学中的隧道贯穿原理，根据物质表面出现电子的几率随着 离开表面距离的变化符合负指数的变化，显微镜探测针头将从物质表面搜集到的散逸出来的 电子产生的电流信号用以描述物质表面情况，以此达到观察物质微观结构的目的关键词】扫描隧道显微镜、隧道效应正文】原子是生化层面上物质组成的最小单位在人类认识世界的进程中，人们发现了各种 元素的特性以及不同元素之间的规律，物质组成的规律，物质转化的规律等等，并继续不断 研究以逐步完善着这个知识体系此类研究曾一度陷入瓶颈，问题的关键在于科研仪器的限 制，就像多年以前，人们只能猜测原子的结构，并产生了多种说法随着科学技术的发展， 如今，人们已经可以清楚的观察原子的外貌，甚至可以凭意志去操控单个原子这对于人类 改造自然的事业来说是一种质的跨越而这一切主要归功于显微技术的发展1981年，格尔德•宾宁(G. Binning)及海因里希•罗雷尔(H. Rohrer )在IBM位于 瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了扫描隧道显微镜，利用扫描隧道显微镜，人们不仅可以观 察到材料表面的原子或电子结构，甚至可以通过一定的手段操控原子，这使得人类在微加工 技术方面获得了飞跃性的突破。

量子力学中的隧道贯穿原理是扫描隧道显微镜工作的理论基础所谓隧道贯穿原理就 是电子具有波动性，在空间中出现与否存在几率性根据薛定谔方程，电子穿透高于本身能 量的势垒的几率不为零且随着其出现位置与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减正是由 于电子隧道贯穿的几率与势垒宽度呈现负指数关系，如果用一接收器在同一平面搜集溢出物 质表面的电子，得到的电信号就能反映物质表面的起伏情况了下面来简单概括一下扫描隧道显微镜的各组成部分：(1) 隧道针尖用于接收溢出物质表面的电子其作用要求针尖的大小、形状、化学性以及共振频率 等等方面都有严格的标准限制，并在使用前也要进行小心的清洗、加工等步骤2) 三维扫描控制器利用某些晶体的压电现象来进行高精度地控制针头的扫描3) 减震系统扫描隧道显微镜的工作性质导致任何微小震动都会对仪器的稳定性产生影响，减震系统 通过提高仪器的固有频率何使用震动阻尼系统来提高仪器工作的稳定性4) 电子学控制系统扫描隧道显微镜用计算机控制步进电机的驱动，通过电子学控制系统来精确地操控仪 器进行精确的动作5）工作模式扫描隧道显微镜的工作模式有恒电流模式和恒高度模式其中，恒电流模式利用一套 电子反馈线路控制隧道电流，使其保持恒定。

再通过计算机系统控制针尖在样品表面 扫描，即是使 针尖沿x、y两个方向作二维运动由于要控制隧道电 流不变，针尖与 样品表面之间的局域咼度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的咼低起伏而作 相同的起伏运 动，高度的信息也就由此反映出 来这就是说，STM得到了样品表面的 三维立体信息这种工作方式获取图象信息 全面，显微图象质量高，应 用广泛而恒 高度模式是指在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表 面的局域距离将发生变化，隧道电流的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电 流的变化，并转换成图 像信号显示出来，即得到了 STM显微图像这种工作方式仅适 用于样品表面较平坦、且组成成分单一（如由同一种原子组成）的情形本实验使用的仪器是AJ-I扫描隧道显微镜以及其控制系统Nano Eye软件，在了解仪器 和软件的一些操作规范以后，我开始进行实验首先要制备针头打开实验箱的防尘玻璃窗，小心地取下显微镜头部，拔掉连在头部内 的数据线，用尖头镊子取下探针本仪器的探针是由铂-铱合金制成的，可用丙酮溶液进行 清洗附着在针头上的有机物、灰尘以及氧化层具体操作步骤如下：去适量的丙酮溶液于量 杯中，放入一小撮脱脂棉，待丙酮溶液将其浸湿后，用镊子夹起，按压在待洗器件（镊子、 剪刀）使溶液流过需要处理的地方，重复几次即可。

用镊子把针头夹起放入量杯中几秒钟后 夹起，这样针头的清洗也完成了接着用一把镊子夹住针头，并用手指按死，防止剪针头时 针头掉落，拿剪刀贴近针头，使刀锋与针头成30°〜45°,剪针头时顺势加上拔针头的动作， 用力的方向顺着刀锋剪完后可用放大镜观察针头是否有毛状尖端，若无，重复剪针头的操 作；若有，用镊子将针头放回头部的针头口，并将头部翻转过来，检查针头安装地是否稳固 石墨样品的制备比较简单，只需取下样品台上的载物片，用胶带粘去样品表面的一层，露出 新的一层石墨样品即可，将载物片放回样品台即可然后将头部装回去，头部底面右侧的圆 槽对准仪器右侧的粗调螺钉，然后安装时注意动作轻柔，防止针头被碰触到，防止数据线插 头损坏打开扫描隧道显微镜电源和控制软件，手动调节两个粗调螺钉，使针头靠近样品1毫米 左右，然后通过软件控制步进电机进一步调节针头距离点击马达控制，设置隧道电流为 0.1mA，点击连续进，当针尖进入隧道电流达到设定值的区域时，软件会弹出提示，同时， 针尖的进步停止改变隧道电流设定值，重复上述步骤，使针头逐渐逼近样品，最终进入隧 道电流为0.5mA的区域观察此时的z高度窗口红线位置，若红线在+100V位置，说明针 尖与样品接触，需要重新制备针尖进行实验；若红线在-100V位置，说明针尖尚未到达符合 条件的区域；若红线在中间某一位置，则说明针尖以到达指定区域，可以进行扫描。

关闭马达控制窗口，点击高度图像，软件操作界面出现高度图像、高度控制、反馈控制 面板和扫描控制面板四个窗口设置控制面板比例增益和积分增益为合适值（一般在10左 右），设置点位1nA,偏压设置为50mV,设置扫描控制面板上扫描范围为10nm，扫描速率 为1Hz点击高度图像窗口上的扫描键，开始扫描根据扫描结果的清晰程度，来改变比例 增益、积分增益、设置点、旋转角度等参数，使图像清晰、分明然后设置扫描范围为5nm，参照上述步骤进行扫描，并调整参数使图像清晰F列图是几次调整参数后得到的5nm扫描范围的扫描图像:A 4 沖高度像电疣图像双幅图像/ 、、IV曲线 IZ曲线S 工 环马达控制单步进单步退Z咼度 打开色彩表NanoE?e 2003 一 STIU,高度图像文件©）马达①）显微镜追）视E（y）面板©）窗口⑩ 帮助⑩x扫描曲线題® Q * 少 —放大缩小 MAX 偏穰测量0.1 nm1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -0.2 nm-2.49 2.49单也匕纳米向上向下高度控制校正：|线平均校正―3范围：I0-30 3中心： |0.00 run〔已进入启动态，淮备就绪?33:::扫描范围： |4. 99 runX 偏移： |0. 00 runY 偏移： |0. 00 ruTL旋转角度： 厂扫描速率： |4. 02 Hz采样点数： 医厂图3图像不是十分清晰，但依稀可见整齐排列着的原子。

分析图像质量差的原因如下：1、 制备的针尖不够尖针尖的质量是本次实验成功与否的关键所在，只有足够尖的针头才 能接收到物质表面精确的电信号，才能生成分辨率较高的扫描图像因此，解决的方法就是 重新制备针头，进彳丁实验2、 参数设置不合理本软件所涉及到的参数设置比较多，参数的设置会直接影响到图像的 质量，而繁杂的参数项又增加了设置参数的难度解决方案是仔细研读仪器和软件的使用说 明，并结合仪器工作原理，弄清各个参数的意义，体会各个参数设置的规律和设置参数的技 巧，以得到高质量的图像3、 实验室环境影响实验结果本实验对实验环境的要求比较高，因为实验对象的尺度是原 子尺度的大小，外界小小的扰动，都可能对实验结果造成影响由于实验室仪器比较老旧， 扫描隧道显微镜的避震装置已无法使用，这就对实验环境提出了更高的要求实验室应仔细 检查扫描隧道显微镜所在的环境有没有受到外界比较明显的干扰，比如计算机主机的振动是 否与扫描隧道显微镜相隔离，实验室环境是否安静等等本实验还有一些注意事项：1、 仪器比较精密，使用的时候动作应该缓慢、轻柔2、 扫描隧道显微镜的开启和关闭顺序应该是：开启时，先放好样品和探针，然后开步进电 机控制器电源，最后打开软件；关闭时，顺序与开启时恰好相反，先关闭软件，再关闭电机 电源，最后处理探针和样品。

3、 制备针头所用的器具使用完毕后要放回收纳盒，丙酮溶液密封保存于阴凉干燥处通过本次实验，我基本学会了使用扫描隧道显微镜，但是没有得到理想的石墨表面的扫 描图像因此在课后，应该主动针对失败的原因弥补不足另外，我体会到不能过分依赖仪 器，实验同样也需要人手的灵巧，以及耐心这需要多多实践，多多训练，反省经验，领悟 技巧。