扫描隧道显微镜

X班  XXX 

一．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.学习扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观测样品的表面形貌。

4.学习用计算机软件处理原始图象数据。

二．实验原理

1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling 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20世纪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所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。

STM具有如下独特的优点：

= 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．I nm 和 0．01 nm，即可以分辨出单个原子．

= 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．

= 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．

= 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。

= 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．

= 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．

n 隧道电流

扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒(如图1)这个现象称为隧道效应。

隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。经计算，透射系数T为：

由式(1)可见，T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。

扫描隧道显微镜的基本原理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 (通常小于1nm) 时，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是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数Φ有关：

式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数

Φ1和Φ2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。

n 扫描隧道显微镜的工作原理

由式(2)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，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，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。

= 恒电流模式：如图（a）所示

x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。

= 恒高度模式：如图(b)所示

在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

三．实验仪器

该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，学生自行数据处理．

四．实验内容

1. 扫描高序石墨样品的表面结构。

开机

调针尖

打开控制面板 

进入隧道区

五．思考题

1.扫描隧道显微镜的工作原理是什么？什么是量子隧道效应？

答：扫描隧道显微镜的基本原理：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 (通常小于1nm) 时，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。

量子隧道效应：对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0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，粒子可以穿过比它能量更高的势垒。这个现象称为量子隧道效应。

2.扫描隧道显微镜主要常用的有哪几种扫描模式？各有什么特点？

答：扫描隧道显微镜主要常用的有恒电流模式和恒高度模式。

恒电流模式： x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。

    恒高度模式： 在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

3.仪器 中加在针尖与样品间的偏压是起什么作用的？针尖偏压的大小对实验结果有何影响？

答：“针尖偏压”是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。这一数值设定越大，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小，恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV”范围左右。

4.实验中隧道电流设定的大小意味着什么？

答：“电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“电流设定”一般在“0.5-1.0nA” 范围内。

第二篇：大学物理实验总结

大学物理实验总结

——090602232 王康

转眼间大学一年的实验课程已然结束。在这一年的实验学习中，有过成功的喜悦，有过失败的痛楚。在实验中，我不但学到了知识，增长了我的动手能力，更学到了合作的重要，与我同组的同学分工，一起努力，协作完成实验，这才是实验赋予我最宝贵的能力。

下面我对牛顿环一实验做做具体的总结。

牛顿环实验是用于检测透镜的曲率及其质量；测量光波波长；精确地测量微小长度、厚度和角度；检测物体表面的粗糙度和平整度的。在工业上被广泛运用。

其仪器分别为：1.牛顿环。2.读数显微镜。3.钠光灯。

将一曲率相当大的平凸玻璃透镜放在一平面玻璃的上面，则在两者之间形成一个厚度随时间变化的空气隙。空气隙的一条等厚干涉条纹是一组明暗相间的同心环。该干涉条纹最早被牛顿发现，所以称为牛顿环。

读数显微镜是将显微镜和螺旋测微装置组合起来，用于测量长度的精密仪器。主要用来测量微小的或不能用夹持仪器测量的对象，如毛细管的内径、狭缝宽度、干涉条纹宽度等。

钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充有金属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气放电发出粉红色的光。氩气放电后金属钠被蒸发并放出黄色的光。

【实验步骤】

⑴ 在显微镜视场中找到牛顿环

① 照明——点亮钠灯，移动读数显微镜装置，使光线射向显微镜物镜下

方45°的反射玻璃片上。镜筒下方放置牛顿环装置。仔细调节45°的

反射玻璃片，以及读数显微镜与钠灯之间的相对位置。使得钠灯射来

的光线能够垂直地反射到牛顿环装置上。这时，由牛顿环装置反射回

来的光能够回到显微镜物镜的镜筒中。

② 调节目镜——使目镜在镜筒内转动，直至十字叉丝成像清晰。并使其

中的一根叉丝与镜筒移动方向平行。

③ 调焦——等厚干涉条纹定域在空气隙上表面附近，故在观察时，显微

镜必须对准此面调焦。旋转调焦手轮，先使显微镜筒接近牛顿环仪。

然后自下而上地移动，与此同时，在目镜中观察，找到牛顿环的像，

并消除它和叉丝间的误差。

④ 对准——找到并对准牛顿环中心。一般只要将显微镜调焦到凸面上方

后，将显微镜筒对准顶点，牛顿环纹即跃然而出。如果不够清楚，则

再重新细微调焦，直到条纹最清楚且与叉丝间无视差为止。

⑵ 测定牛顿环直径

① 调整显微镜的十字叉丝交点与牛顿环中心大致重合。

② 转动测微鼓轮,使显微镜架移动。借助牛顿环，再仔细观察十字叉丝是否一条与镜架移动方向垂直，另一条与镜架移动方向平行。做到这一点以后，移动显微镜框架时，牛顿环不会上下错动。如果不符，则适当转动目镜，使之达到上述状态。再观察显微镜中十字叉丝交点能否超过牛顿环的13条暗圈（两边都要超过），以便顺利完成下面的测量任务。

③ 在测量各干涉环的直径时，只可沿同一个方向旋转鼓轮，不能进进退退，以避免测微螺距间隙引起的空回误差。

实验多是如此，需要我们细心地操作，勤快地思考，所谓实践是检验真理的唯一标准。我从实验中得到的知识并非实验本身那么简单，实验更让我享受的是它带给我的过程，它使我的动手能力，对事物的观察能力都得到了提升。能够从容地面对各种挑战，以不变应万变。我认为只有如此，我们才能学到这门课程教我们的精髓，它不仅是教我们如何做实验，更是教我们如何做事。当然，这一学年的实验并

不只是我一个人完成的，更多的是与我同组合作的伙伴，我们培养出了相当大的默契，这也是制胜的关键所在。当然，老师们的讲解也是与实验成功密不可分的，每当我被一两个问题所阻挡的时候，老师们的话无疑是起到了醍醐灌顶的作用，让我们从迷途中折回来，这就使得我们的思绪如雨后春笋般狂涌而出，迷茫不在，在我们面前的是一条阳光大道。

回顾几个实验，我获益良多。首先，它们调高了我的实验能力；其次，它们增强了我的动手能力；再则，它们更深化了我的团队意识和团队配合能力。我想这才是我在实验中真正学到的东西。