掃描隧道顯微鏡(STM)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型顯微表面研究新技術(shù)，其核心思想是利用探針與物質(zhì)表面原子間的不同種類的局域相互作用，來(lái)測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。

掃描隧道顯微鏡的原理

　　1、量子隧穿效應(yīng)

　　根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的理論，如果一個(gè)勢(shì)壘高于電子的能量，那么這個(gè)電子無(wú)法越過(guò)此勢(shì)壘。然而在量子力學(xué)中，由于電子具有波粒二象性，該電子具有一定的可能性穿過(guò)這個(gè)勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象被稱為量子隧穿效應(yīng)。

　　掃描隧道顯微鏡則利用遂穿效應(yīng)，當(dāng)樣品表面和針尖之間的距離小于1nm時(shí)，樣品表面電子云和針尖的電子云會(huì)有一部分重合，此時(shí)若在它們之間施加電壓，那么在針尖和材料表面之間會(huì)產(chǎn)生電流，這就是隧道電流。隧道電流的大小與針尖到樣品表面的距離呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖與樣品表面的距離發(fā)生一個(gè)微小的變化時(shí)，隧道電流的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，從而實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡超高的原子級(jí)分辨率。

　　2、壓電效應(yīng)

　　為了實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡原子級(jí)的高分辨率，需要對(duì)探針的位置和探針到樣品的距離進(jìn)行精確的控制，這就利用到了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)壓電材料的兩端施加一個(gè)電壓時(shí)，此材料會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變。掃描隧道顯微鏡利用該原理，對(duì)壓電陶瓷兩端施加不同的電壓，使陶瓷發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)針尖位置的精確控制和改變。

掃描隧道顯微鏡的工作模式

　　隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

　　掃描隧道顯微鏡的基本成像方式有恒高模式和恒流模式兩種。如果樣品的表面功函數(shù)相同，則這兩種基本模式可以反映真實(shí)的樣品形貌。而實(shí)際測(cè)量的多數(shù)樣品都是由不同化學(xué)組分構(gòu)成的，這時(shí)因?yàn)椴煌课槐砻婀瘮?shù)不相同，掃描隧道顯微鏡基本測(cè)量模式不能得到樣品的真實(shí)形貌。為消除表面功函數(shù)差異引起的測(cè)量誤差，得到更多的樣品表面信息，衍生出了掃描隧道譜和功函數(shù)成像模式。

　　1、恒高模式

　　恒高模式是指掃描隧道顯微鏡在掃描樣品表面過(guò)程中，掃描頭z方向(垂直方向)電壓不變，保持探針?biāo)礁叨群愣?。恒高模式不需要使用反饋系統(tǒng)，掃描成像速度快，適用于觀察動(dòng)態(tài)過(guò)程(如化學(xué)反應(yīng)、原子遷移等)。但是，由于掃描隧道顯微鏡對(duì)探針-樣品間距的變化十分敏感，故若樣品表面起伏較大或者樣品傾斜，則會(huì)嚴(yán)重干擾恒高成像模式，造成成像數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者探針碰撞損毀。

　　2、恒流模式

　　恒流模式即是隧道電流恒定模式，在反饋系統(tǒng)的協(xié)助下，通過(guò)調(diào)節(jié)掃描頭方向電壓，控制探針-樣品間距，在掃描過(guò)程中維持隧道電流恒定在預(yù)設(shè)值。由于隧道電流大小不變，所以，恒流模式在一定程度上是保持探針-樣品之間具有一定的距離，掃描隧道顯微鏡探針在掃描過(guò)程中會(huì)隨著樣品的起伏而調(diào)整高度。恒流模式在掃描過(guò)程中對(duì)探針具有一定的保護(hù)作用，適合測(cè)量表面粗糙度較大的樣品。

　　恒流模式利用反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)掃描頭z方向電壓，通過(guò)測(cè)量z方向電壓的改變得到樣品表面形貌圖像。正是因?yàn)橛蟹答佅到y(tǒng)的介入，恒流模式的掃描速度受到反饋時(shí)間的限制。如果反饋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，掃描速度很低，這時(shí)掃描隧道顯微鏡系統(tǒng)的機(jī)械熱力學(xué)漂移會(huì)對(duì)成像準(zhǔn)確性造成很大的干擾;如果反饋時(shí)間太短，掃描速度相對(duì)較快，但是調(diào)節(jié)探針-樣品間距的時(shí)間過(guò)短，反饋系統(tǒng)來(lái)不及將隧道電流調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)值，得到的圖像實(shí)際上并不是真正的恒流模式圖像。

掃描隧道顯微鏡的特點(diǎn)

　　掃描隧道顯微鏡主要有以下特點(diǎn)：

　　①掃描隧道顯微鏡在空間分辨上具有原子級(jí)的分辨率;

　?、趻呙杷淼里@微鏡可以在大氣和溶液環(huán)境中使用，而其他幾種具有相同分辨率的顯微技術(shù)(如TEM、SEM、FIM等)只能在高或超高真空環(huán)境中使用;

　?、?a href="http://www.sdczts.cn/daogou/saomiaosuidaoxianwei極ng.html" target="_self">掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品不會(huì)造成破壞。

　　但是由于它的工作原理，還有下列的不足之處：

　　①在恒流模式下，掃描隧道顯微鏡對(duì)于間距較小的原子無(wú)法進(jìn)行較為準(zhǔn)確的分辨，測(cè)量的原子大小比實(shí)際原子大小要大;

　　②由于掃描隧道顯微鏡的空間分辨依賴于隧道電流的變化，所以樣品表面必須可以導(dǎo)電。對(duì)于絕緣材料表面需鍍上導(dǎo)電材料或者壓上導(dǎo)電電極。但是導(dǎo)電膜可能會(huì)遮蓋原樣品表面微小的細(xì)節(jié)，這使得掃描隧道顯微鏡不易實(shí)現(xiàn)對(duì)原材料本身對(duì)原子級(jí)分辨。