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    STM 原理

    来宝网2007年4月29日 7:53 点击:7564

    STM 概述

      1982年,国际商业机器公司苏黎世实验?#19994;腉..Binnig和Heinrich Rohrer及其同事们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(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)。STM的出现,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,研究与表面电子行为有关的物理和化学性质,在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应?#20204;?#26223;,被国际科学界公认为八十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年宾尼和罗雷尔因此获?#38376;?#36125;尔物理学奖。
    STM是继高分辨透射电子显微镜,场离子显微镜之后,第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜,其分辨率在水平方向可达0.1nm,垂直方向可达0.01nm,它的出现标志着纳?#20934;际?#30740;究的一个最重大的转折,甚?#37327;梢员?#24535;着纳?#20934;际?#30740;究的正式起步,这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力。使用STM,在物理学和化学领域,可用于研究原子之间的微小结合能,制造人造分子;在生物学领域,可用于研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构,进行分子切割和组装手术;在材料学领域,可以用于分析材料的晶格和原子结构,考察晶体中原子尺度上的缺陷;在微电子领域,则可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。

    STM的工作原理

      STM是利用量子隧道效应工作的。若以金属针尖为一电极,被测固体样品为另一电极,当他们之间的距离小到1nm左右时,就会出现隧道效应,电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。且 其中Ub:偏置电压;k:常数,约等于1,Φ1/2:平均功函数,S:距离。
    从上式可知,隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。对于间距的变化非常敏?#23567;?#22240;此,当针尖在被测样品表面做平面扫描时,?#35789;?#34920;面仅有原子尺度的起伏,也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。这样就可以通过测量电流的变化来反应表面上原子尺度的起伏,如下?#21152;?#36793;所示。这就是STM的基本工作原理,这种运?#24515;?#24335;称为恒高模式(保持针尖高度恒定)。
    STM还有另外一种工作模式,称为恒流模式,如下图左边。此时,针尖扫描过程中,通过电子反馈回路保持隧道电流不变。为维持恒定的电流,针尖随样品表面的起伏上下移动,从而记录下针尖上下运动的轨迹,即可给出样品表面的形貌。
    恒流模式是STM常用的工作模式,而恒高模式仅适于对表面起伏不大的样品进行成像。当样品表面起伏较大时,由于针尖离样品表面非常近,采用恒高模式扫描容?#33258;?#25104;针尖与样品表面相撞,导致针尖与样品表面的破坏。

    (来源: 来宝网 )


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