扫描探针显微镜（SPM）原理 一、 描隧道显微镜STM原理 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0V 时，他不可能越过此势垒，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)(0EV 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 有关： 式中bV 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数)(222000)(16EVmaeVEVET)2()exp(21SAVIb)1()(2121，1 和2 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1nm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。 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扫描模式：恒电流模式和恒高度模式。 a) 恒电流模式。如图(a)所示， 式中bV 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数)(2121，1 和2 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1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品 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...
