德州学院物理与电子信息学院 生物论述
专 业： 应用物理学
班 级： 2012级
论文题目： 扫描隧道显微镜
学生姓名： 胡拯豪
学 号： [1**********]7
扫描隧道显微镜
一、摘要：扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope 缩写为STM) 亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·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，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
二、关键字：扫描隧道显微镜（STM ） 压电陶瓷 操作过程
三、正文： 隧道效应：所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个nm （10-6mm ），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子即使在E
量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。 STM 的组成：隧道针尖；三维扫描控制器；减震系统；电子学控制系统。顶部为直径约为50—100nm 的极细金属针尖(通常由金属钨制成) ， 如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象；用于扫描和电流反馈的控制器；三个相互垂直的压电陶瓷(Px，Py ，Pz) ，主要应用压电陶瓷的良好的压电性能进行三维扫描。
STM 的工作原理：当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。
操作过程：
1、硬件操作
1．打开电脑；
2．开启控制箱电源；
3．打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式) ，如果此时想切换XY 、Z 的大小扫描范围的话，可以点击“新马达趋近”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线工作模式；
4. 调节机箱旋钮，设定初始值（设定点、针尖偏压在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数）：
（1）设定点（电流）1.5—2.0(1.8为宜) ；
（2）偏压-0.15—-0.25(-0.2为宜) ；
（3）反馈1.0—1.5(1.3为宜) ；
5. 手动粗调使样品靠近针尖。注意门板上的警示字样！！！
注意：
1. 转动粗调旋钮前务必保证蝴蝶螺母是松开的，务必明确旋转方向和样品上升和下降的关系。
2. 手动调节样品底座高度，用放大镜观察，针尖与样品距离为0.2-0.3mm 最佳，注意不要有回调动作，观察Z 偏置”的指示条是否过头（过头则表明针尖撞上样品了必须重新剪针尖）。
3. 为保证结构刚性请上升完样品后锁住蝴蝶螺母。
（二）结束硬件操作
1. 扫描完毕，停止扫描，执行马达复位命令
2. 手动调节样品底座，退离针尖，取下样品。注意：退离时务必保证松开蝴蝶螺母
3. 关闭程序，关闭控制箱电源，关闭电脑
技术发展史：显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。第一代显微镜——光学显微镜：
第一代：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。
第二代：在20世纪20年代末，鲁斯卡（Ruska, Ernst）经过多次实验探索，利用电磁场控制电子束的运动方向，将通过样品，带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像。终于在1933年研制成功世界上第一台电子显微镜，开创了人类研究微观世界的新纪元。鲁斯卡因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。
第三代：1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛. 宾尼(Gerd Bining)博士和海. 罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM 。当时海. 罗雷尔是IBM 公司苏黎世研究实验室的科学家，葛. 宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。 应用：
在生物学方面：在研究有机分子方面，利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像，可以观察到有机分子的3 维结构. 基于此，在生物学领域中，观察DNA 、重组DNA 及HPI- 蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测.
在纳米材料加工领域的应用：纳米材料是指，材料基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm) ，并由此具有某些新特性的材料. 对于纳米材料的制备，是当今社会研究的一个热点问题. 人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为. 使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置. 如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间，那么在探针和样品间产生交替变化的电场. 强电场的蒸发电场的蒸发作用，使样品表面的原子可以被吸附到针尖上，并且使单原子可以随针尖移动，沉积. 通过对单原子的控制，人们可以制作大容量存储器.
前景：
①具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分
别可达0.1埃，即可以分辨出单个原子。
②可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于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，而不是对体相或整个表面的平均性质，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，以及由吸附体引起的表面重构等。
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他溶液中 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、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。
因此在未来时间段，讲在微观现象的发现与分析中占据着重要的地位。
四、总结：扫描隧道显微镜拥有极高的分辨率，以及其他优势，使其在微观研究领域享有很高的地位。在未来科学发展进步的过程中，会更能体现出扫描隧道显微镜的优点，将会对科学的进步起着剧足轻重的地位。
五、参考文献：
赤峰学院学报（ 自然科学版）Journal of Chifeng University（Natural Science Edition第29 卷第2 期（上）2013 年2 月；
2001 年5 月重庆大学学报( 自然科学版) Vol. 24 No. 3第24 卷第3 期Journal of Chongqing University( Natural Science Edition)；
第22 卷第1 期2001 年2 月 暨南大学学报(自然科学版) Journal of Jinan University(Natural Science)
德州学院物理与电子信息学院 生物论述
专 业： 应用物理学
班 级： 2012级
论文题目： 扫描隧道显微镜
学生姓名： 胡拯豪
学 号： [1**********]7
扫描隧道显微镜
一、摘要：扫描隧道显微镜 (scanning tunneling microscope 缩写为STM) 亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·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，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。
二、关键字：扫描隧道显微镜（STM ） 压电陶瓷 操作过程
三、正文： 隧道效应：所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个nm （10-6mm ），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子即使在E
量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。 STM 的组成：隧道针尖；三维扫描控制器；减震系统；电子学控制系统。顶部为直径约为50—100nm 的极细金属针尖(通常由金属钨制成) ， 如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象；用于扫描和电流反馈的控制器；三个相互垂直的压电陶瓷(Px，Py ，Pz) ，主要应用压电陶瓷的良好的压电性能进行三维扫描。
STM 的工作原理：当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV~2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。
操作过程：
1、硬件操作
1．打开电脑；
2．开启控制箱电源；
3．打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式) ，如果此时想切换XY 、Z 的大小扫描范围的话，可以点击“新马达趋近”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线工作模式；
4. 调节机箱旋钮，设定初始值（设定点、针尖偏压在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数）：
（1）设定点（电流）1.5—2.0(1.8为宜) ；
（2）偏压-0.15—-0.25(-0.2为宜) ；
（3）反馈1.0—1.5(1.3为宜) ；
5. 手动粗调使样品靠近针尖。注意门板上的警示字样！！！
注意：
1. 转动粗调旋钮前务必保证蝴蝶螺母是松开的，务必明确旋转方向和样品上升和下降的关系。
2. 手动调节样品底座高度，用放大镜观察，针尖与样品距离为0.2-0.3mm 最佳，注意不要有回调动作，观察Z 偏置”的指示条是否过头（过头则表明针尖撞上样品了必须重新剪针尖）。
3. 为保证结构刚性请上升完样品后锁住蝴蝶螺母。
（二）结束硬件操作
1. 扫描完毕，停止扫描，执行马达复位命令
2. 手动调节样品底座，退离针尖，取下样品。注意：退离时务必保证松开蝴蝶螺母
3. 关闭程序，关闭控制箱电源，关闭电脑
技术发展史：显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。第一代显微镜——光学显微镜：
第一代：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van 1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。
第二代：在20世纪20年代末，鲁斯卡（Ruska, Ernst）经过多次实验探索，利用电磁场控制电子束的运动方向，将通过样品，带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像。终于在1933年研制成功世界上第一台电子显微镜，开创了人类研究微观世界的新纪元。鲁斯卡因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。
第三代：1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛. 宾尼(Gerd Bining)博士和海. 罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM 。当时海. 罗雷尔是IBM 公司苏黎世研究实验室的科学家，葛. 宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。 应用：
在生物学方面：在研究有机分子方面，利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像，可以观察到有机分子的3 维结构. 基于此，在生物学领域中，观察DNA 、重组DNA 及HPI- 蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测.
在纳米材料加工领域的应用：纳米材料是指，材料基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm) ，并由此具有某些新特性的材料. 对于纳米材料的制备，是当今社会研究的一个热点问题. 人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为. 使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置. 如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间，那么在探针和样品间产生交替变化的电场. 强电场的蒸发电场的蒸发作用，使样品表面的原子可以被吸附到针尖上，并且使单原子可以随针尖移动，沉积. 通过对单原子的控制，人们可以制作大容量存储器.
前景：
①具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分
别可达0.1埃，即可以分辨出单个原子。
②可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于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，而不是对体相或整个表面的平均性质，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，以及由吸附体引起的表面重构等。
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他溶液中 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、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。
因此在未来时间段，讲在微观现象的发现与分析中占据着重要的地位。
四、总结：扫描隧道显微镜拥有极高的分辨率，以及其他优势，使其在微观研究领域享有很高的地位。在未来科学发展进步的过程中，会更能体现出扫描隧道显微镜的优点，将会对科学的进步起着剧足轻重的地位。
五、参考文献：
赤峰学院学报（ 自然科学版）Journal of Chifeng University（Natural Science Edition第29 卷第2 期（上）2013 年2 月；
2001 年5 月重庆大学学报( 自然科学版) Vol. 24 No. 3第24 卷第3 期Journal of Chongqing University( Natural Science Edition)；
第22 卷第1 期2001 年2 月 暨南大学学报(自然科学版) Journal of Jinan University(Natural Science)