实验十三扫描隧道显微镜（STM）

实验⼗三扫描隧道显微镜（STM福临皇帝 ）

实验⼗三 扫描隧道显微镜（STM）

1982年，IBM瑞⼠苏黎⼠实验室的葛宾尼(Gerd Binning)和海?罗雷尔(Heinrich Rohrer)研制出世界上第⼀台扫描隧道显微镜

（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）．STM 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化性质，在表⾯科学、材料科学、⽣命科学等领域的研究中有着重⼤的意义和⼴泛的应⽤前景，被国际科

学界公认为80年代世界⼗⼤科技成就之⼀．为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝

尔物理学奖．

与其它表⾯分析技术相⽐，STM具有如下独特的优点：

1．具有原⼦级⾼分辨率，STM在平⾏和垂直于样品表⾯⽅向的分辨率分别可达0.1nm 和0.01nm，即可以分辨出单个原⼦．

2．可实时再现样品表⾯的三维图象，⽤于对表⾯结构的研究及表⾯扩散等动态过程的研究．

3．可以观察单个原⼦层的局部表⾯结构，因⽽可直接观察到表⾯缺陷、表⾯重构、表⾯吸附体的形态和位置．

4．可在真空、⼤⽓、常温等不同环境下⼯作，样品甚⾄可浸在⽔和其它溶液中．不需要特别的制样技术并且探测过程对样品

⽆损伤．这些特点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，例如对于多相催化机理、超导机制、电化

学反应过程中电极表⾯变化的监测等．

5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表⾯电⼦结构的信息，例如表⾯不同层次的态密度、表⾯电⼦阱、电荷密度波、表

⾯势垒的变化和能隙结构等．

6．利⽤STM针尖，可实现对原⼦和分⼦的移动和操纵，这为纳⽶科技的全⾯发展奠定了基础．

STM也存在因本⾝的⼯作⽅式所造成的局限性．STM所观察的样品必须具有⼀定的导电性，因此它只能直接观察导体和半导

体的表⾯结构，对于⾮导电材料，必须在其表⾯覆盖⼀层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表⾯的分

辨率．然⽽，有许多感兴趣的研究对象是不导电的，这就限制了STM应⽤．另外，即使对于导电样品，STM观察到的是对应

于表⾯费⽶能级处的态密度，如果样品表⾯原⼦种类不同，或样品表⾯吸附有原⼦、分⼦时，即当样品表⾯存在⾮单⼀电⼦态

时，STM得到的并不是真实的表⾯形貌，⽽是表⾯形貌和表⾯电⼦性质的综合结果．

【实验⽬的】

1．学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构；

2．观测和验证量⼦⼒学中的隧道效应；

3．学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表⾯形貌；

4．学习⽤计算机软件处理原始数据图象．

【实验仪器】

NanoView-I型扫描隧道显微镜，Pt-Ir⾦属探针，⾦薄膜（团簇）样品，⾼序⽯墨（HOPG）

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样品等．

【实验原理】

1．隧道电流

扫描隧道显微镜的⼯作原理是基于量⼦⼒学的隧

道效应．对于经典物理学来说，当⼀粒⼦的动能E 低于

前⽅势垒的⾼度V 0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，粒⼦可以穿过⽐它的能量更⾼的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒⼦的波动性⽽引起的，只有在⼀定的条件下，

这种效应才会显著．经计算，透射系数

图1 量⼦⼒学中的隧道效应

)(22

200016E V m a e V E V E T ≈=）（ （1）

由式中可见，透射系数T 与势垒宽度a 、能量差（V 0-E ）以及粒⼦的质量m 有着很敏感的依赖关系，随着a 的增加，T 将指

数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒⼦隧穿势垒的现象．

扫描隧道显微镜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时（通常⼩于1

nm ），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．隧道电流I 是针尖的电⼦波函数与样品的电⼦

波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S 和平均功函数有关

)exp(21S A V I b ?∝ （2）

式中V b 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数≈ (1+2) /2，1和2分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在

真空条件下约等于1．隧道探针⼀般采⽤直径⼩于1mm 的细⾦属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有⼀定的导电性才

可以产⽣隧道电流．

由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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，就可以直接得到样品的表⾯三维形

貌图．

图2 STM 基本构成

2．STM 的结构和⼯作模式 STM 仪器由具有减振系统的

STM 头部、电⼦学控制系统和包括

A/D 多功能卡的计算机组成（图

2）．头部的主要部件是⽤压电陶瓷做成的微位移扫描器，在x - y ⽅向

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扫描电压的作⽤下，扫描器驱动探针在导电样品表⾯附近作x- y⽅向的扫描运动．与此同时，由差动放⼤器来检测探针与样品

间的隧道电流，并把它转换成电压，反馈到扫描器，作为探针z⽅向的部分驱动电压，以控制探针作扫描运动时离样品表⾯的

⾼度．STM常⽤的⼯作模式主要有以下两种：

（1）恒流模式

如图3（a），利⽤压电陶瓷控制针尖在样品表⾯x-y⽅向扫描，⽽z⽅向的反馈回路控制隧道电流的恒定，当样品表⾯凸起时，

针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变，当样品表⾯凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，则探针在垂直于样品⽅向上

⾼低的变化就反映出了样品表⾯的起伏．将针尖在样品表⾯扫济南旅游景点 描时运动的轨迹记录并显⽰出来，就得到了样品表⾯态密度的分

布或原⼦排列的图像．这种⼯作模式可⽤于观察表⾯形貌起伏较⼤的样品，且可通过加在z⽅向的驱动电压值推算表⾯起伏⾼

度的数值．恒流模式是⼀种常⽤的⼯作模式，在这种⼯作模式中，要注意正确选择反馈回路的时间常数和扫描频率．（2）恒

⾼模式

如图3（b），针尖的x-y⽅向仍起着扫描的作⽤，⽽z⽅向则保持绝对⾼度不变，由于针尖与样品表⾯的局域⾼度会随时发⽣变

化，因⽽隧道电流的⼤⼩也会随之明显变化，通过记录扫描过程中隧道电流的变化亦可得到表⾯态密度的分布．恒⾼模式的特

点是扫描速度快，能够减少噪⾳和热漂移对信号的影响，实现表⾯形貌的实时显⽰，但这种模式要求样品表⾯相当平坦，样品

表⾯的起伏⼀般不⼤于1 nm，否则探针容易与样品相撞．

【实验内容】

1．准备和安装样品、针尖

针尖在扫描隧道显微镜头部的⾦属管中固定，露出头部约5毫⽶．

将样品放在样品座上，应保证良好的电接触．将下部的两个螺旋测微头向上旋起，然后把头部轻轻放在⽀架上（要确保针尖和

样品间有⼀定的距离），头部的两边⽤弹簧扣住．⼩⼼地细调螺旋测微头和⼿动控制电机，使针尖向样品逼近，⽤放⼤镜观

察，在针尖和样品相距约0.5—1毫⽶处停住．

2．冰箱冷冻室不制冷 ⾦膜表⾯的原⼦团簇图像扫描

运⾏STM的⼯作软件，单击“在线扫描”，出现“STM扫描控制”控制界⾯．

“隧道电流”置为0.25～0.3nA，“针尖偏压”置为200 ~ 250mv，“扫描范围”设为1000nm左右，“扫描⾓度”设为0 ~ 90度，“扫描速

度”设为0.1s / ⾏左右，“采样”设

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为256，“放⼤倍率”设为1；选择“马达控制”，点击“⾃动进”, 马达⾃动停⽌后，不断点击“单步进”或“单步退”，直到“隧道电流”的

显⽰杆落⼊｜｜区域之内；如此时“平衡”的显⽰杆尚未进⼊相应烟云四字词语 的｜｜区域之内，可使⽤控制箱⾯板上的“平衡”旋钮，将其调

⼊；选择“扫描⽅式”，点击“恒流模式”进⾏扫描．

扫描结束后⼀定要将针尖退回！“马达控制”⽤“⾃动退”，然后关掉马达和控制箱．3．图像处理

（1）平滑处理：将像素与周边像素作加权平均．

（2）斜⾯校正：选择斜⾯的⼀个顶点，以该顶点为基点，线形增加该图像的所有像数值，可多次操作．

（3）中值滤波：对当前图像作中值滤波．

（4）傅⽴叶变换：对当前图像作FFT滤波，此变换对图像的周期性很敏感，在作原⼦图像扫描时很有⽤．

（5）边缘增强：对当前图像作边缘增强，使图像具有⽴体浮雕感．

（6）图像反转：对当前图像作⿊⽩反转．

（7）三维变换：使平⾯图像变换为⽴体三维图像，形象直观．

4．⾼序⽯墨原⼦（HOPG）图像的扫描（选做）

在上⾯实验的基础上，可进⼀步扫描⽯墨表⾯的碳原⼦．⽤⼀段透明胶均匀地按在⽯墨表⾯上，⼩⼼地将其剥离，露出新鲜⽯

墨表⾯，保证样品台和样品座之间有着良好的电接触．采⽤恒流⼯作模式，先将“隧道电流”置于0.25～0.3 nA，“针尖偏压”置

于-200～-250 mv，“扫描范围”设为1000 nm左右，“扫描⾓度”设为0～90度，“扫描速度”设为0.1s/⾏左右，“采样”设为256，“放

⼤倍率”设为1，找出新鲜的⽯墨表⾯台阶；在两台阶之间选取⼀块平坦的地⽅，逐渐减⼩扫描范围，提⾼隧道电流，增加放⼤

倍率（５倍或25倍，直⾄能渐渐看到原⼦图象；最后，“扫描范围”设为10 nm以下，“隧道电流”置于0.45 nA左右，“针尖偏

压”置于-255 mv左右，并细⼼地维持“平衡”的显⽰杆在｜｜区域之内，这样扫描约20分钟，待其表⾯达到新的热平衡后，可以

得到⽐较理想的⽯墨原⼦排列图像．

【思考题】

1．恒流模式和恒⾼模式各有什么特点?

2．不同⽅向的针尖与样品间的偏压对实验结果有何影响?

3．隧道电流设置的⼤⼩意味着什么？

4．若隧道电流能在2%范围内保持不变，试估算样品表⾯的⾼度测量的误差．

【参考⽂献】

[1] G. Binning and H. Rohrer, Helv. Phys. Acta, 55 (1982) 726

[2] H. -J. Guntherodt and R. Wiendanger, Scanning tunneling microscopy Ⅰ-Ⅲ东北凉菜做法大全 , Springer-Verlag,

Berlin, 1992

[3] 曾谨严, 量⼦⼒学, 科学出版社

[4] ⽩春礼, 扫描隧道显微术及其应⽤, 上海科学技术出版社

[5] C. Julian Chen, Introduction to scanning tunneling microscopy, Oxford University Press, 1993

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