扫描隧道显微镜有什么原理？
2024-11-19 阅读 77
更新于 2024年11月21日
利用了强大的电子技术类，同CT以及“核磁共振技术”同，对事物进行“切片”扫描，“光学显微”遂道式复现，还原系统。
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope, STM）是一种基于量子隧穿效应的高分辨率显微技术。它可以直接观察导电样品的表面结构，甚至达到原子级别。STM的基本原理如下：
1. 隧穿效应原理
在量子力学中，当两个导电体（例如针尖和样品表面）之间的距离极小（约0.5–2纳米）时，尽管它们之间有势垒（如真空），电子仍然可以通过势垒从一个导电体“隧穿”到另一个。
隧穿电流的强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，电流大小呈指数级依赖于距离。
2. 工作机制
1. 探针与样品的交互：
STM的探针是一根极细的金属针，通常由钨或铂铱合金制成。
将探针非常接近样品表面，施加一个偏置电压，探针和样品之间形成隧穿电流。
2. 隧穿电流的测量：
探针扫描样品表面时，隧穿电流会随探针与样品表面距离的微小变化而变化。
通过实时测量电流变化，可以获取表面的高度信息。
3. 反馈控制：
STM通常采用反馈回路来调整探针的位置，使隧穿电流保持恒定。
探针的垂直位移由压电陶瓷控制器记录，这些位移反映了样品表面的局部高度变化。
3. 扫描模式
STM主要有两种工作模式：
恒电流模式（Constant Current Mode）
通过反馈回路维持恒定的隧穿电流，探针上下移动以适应样品表面的高度变化。
恒高度模式（Constant Height Mode）
探针高度保持恒定，直接记录隧穿电流的变化。
适用于表面平整且对探针高度变化敏感的样品。
4. 图像成像
STM获得的数据本质上是样品表面电子密度的分布，反映了表面的拓扑结构和局部电子状态。
通过计算机处理这些数据，可以生成样品表面的三维形貌图。
5. 应用
观察单个原子和分子。
研究导电表面的电子结构。
应用于材料科学、表面化学和纳米技术。
