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扫描隧道显微镜的应用
扫描隧道显微镜在物理学、化学、生命科学、材料科学及微电子等领域得到了广泛的应用，取得了一系列重要成果，并由此诞生了一系列新的学科分支，如纳米生物学、纳米摩擦...[查看全部]
扫描隧道显微镜的诞生是电子显微技术的一个重要里程碑，标志着人类在微观领域的认识方面又跨越了一个新的起点，对化学、物理、生命科学和材料科学等学科的许多领域都产生了重大的影响。
扫描隧道显微镜的发展历史17世纪，世界上第一台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始了人类使用仪器研究微观世界的新时代。但是，由于受光波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10^-6m~10^-7m。20世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨率达到了10^-8m。有了电子显微镜，比细胞小得多的病毒也露出了原形，增强了人们观察微观世界的能力。
1982年，格尔德·宾宁(Binning)和海因里希·罗雷(Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜，利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图像。这一发明使显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用。为此格尔德·宾宁和海因里希·罗雷于1986年被授予诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜的发展现状1982年，国际上第一台扫描隧道显微镜诞生，而在1988年，白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科学成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作推出了我国第一台低温扫描隧道显微镜，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。
由于扫描隧道显微镜具有分辨率高、需要样品量小并可在溶液中成像等特点，所以在生物领域中倍受青睐。在研究生物分子的激活，蛋白质与DNA的复合以及病毒和细胞的生物变化过程等方面，扫描隧道显微镜都有许多有价值性的工作。如中国科学院上海原子核研究所与中
... 查看全文扫描隧道显微镜(STM)是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用，来测量表面原子结构和电子结构。
扫描隧道显微镜的原理1、量子隧穿效应
根据经典力学的理论，如果一个势垒高于电子的能量，那么这个电子无法越过此势垒。然而在量子力学中，由于电子具有波粒二象性，该电子具有一定的可能性穿过这个势垒，这个现象被称为量子隧穿效应。
扫描隧道显微镜则利用遂穿效应，当样品表面和针尖之间的距离小于1nm时，样品表面电子云和针尖的电子云会有一部分重合，此时若在它们之间施加电压，那么在针尖和材料表面之间会产生电流，这就是隧道电流。隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系，当针尖与样品表面的距离发生一个微小的变化时，隧道电流的强度会产生几个数量级的变化，从而实现扫描隧道显微镜超高的原子级分辨率。
2、压电效应
为了实现扫描隧道显微镜原子级的高分辨率，需要对探针的位置和探针到样品的距离进行精确的控制，这就利用到了压电效应。压电效应是指当对压电材料的两端施加一个电压时，此材料会发生相应的形变。扫描隧道显微镜利用该原理，对压电陶瓷两端施加不同的电压，使陶瓷发生形变，从而实现对针尖位置的精确控制和改变。
扫描隧道显微镜的工作模式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。
扫描隧道显微镜的基本成像方式有恒高模式和恒流模式两种。如果样品的表面功函数相同，则这两种基本模式可以反映真实的样品形貌。而实际测量的多数样品都是由不同化学组分构成的，这时因为不同部位表面功函数不相同，扫描隧道显
... 查看全文扫描隧道显微镜是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用，来测量表面原子结构和电子结构的显微新技术，它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命。扫描隧道显微镜通常包括精细定位扫描系统(包括探针和扫描头)、前置放大器、反馈系统、粗步进装置(步进器)、隔音系统(通常在非真空扫描隧道显微镜中使用)、减震系统和控制与成像系统。
扫描隧道显微镜探针与扫描头根据扫描隧道显微镜基本原理，要求探针和样品具有导电能力，通常扫描隧道显微镜使用金属钨或者铂铱合金作为探针。这两种探针硬度较高，在高速扫描时针尖不易发生晃动导致成像质量下降。
目前主要有两种制备探针的方法：机器剪切和电化学腐蚀。机器剪切是通过对探针原材料用机械设备进行切削，从而制成结构精细的探针。电化学腐蚀是通过把针尖原材料和金属电极作为两极，浸于强电解质溶液里，通过改变电流和电压，从而对针尖原材料进行腐蚀，制成探针。
扫描隧道显微镜的扫描头需要具有极高的定位精度，通常由压电陶瓷材料制成。第一台扫描隧道显微镜中使用的是三脚架形压电陶瓷扫描器。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。
扫描隧道显微镜减震系统由于扫描隧道显微镜工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与扫描隧道显微镜的固有频率入手。
外界震动如建筑物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动等，其频率一般在100Hz之间，因此隔绝震动的方法主要是靠提高扫描隧道显微镜的固有频率和使用震动阻尼系统。
扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板(或大理石)和橡胶垫叠加的方式，其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其
... 查看全文扫描隧道显微镜在物理学、化学、生命科学、材料科学及微电子等领域得到了广泛的应用，取得了一系列重要成果，并由此诞生了一系列新的学科分支，如纳米生物学、纳米摩擦学等，他的出现极大地推动了科学技术的发展。
扫描隧道显微镜在物理学方面的应用在物理学方面，扫描隧道显微镜已对石墨、硅以及金晶体等表面状况进行了观察，对超导体表面的电子结构也进行了研究。在化学方面，主要用于研究有机或无机分子在表面吸附、表面催化、表面钝化和电化学动态过程等。
在生命科学领域，扫描隧道显微镜更是起着巨大的作用，显示了强大的生命力。蛋白质和核酸这两种重要的生物大分子的几何尺度一般在几个到几十个纳米范围内，以往主要通过电子显微镜和X射线衍射方法进行研究。
电子显微镜虽有许多优点，但使用时必须要求高真空和外源高压电子束。高真空容易使大分子脱水，分子结构遭到破坏，外源高压电子束对生物大分子会造成辐射损伤。相比之下，扫描隧道显微镜不仅具有空前的原子级空间分辨率，能在原子水平、分子水平、亚细胞水平和细胞水平等不同层次上全面观察和研究生物样品的结构，如利用扫描隧道显微镜已可看到单链DNA分子的多个碱基，而且他不使用自由粒子，当然无辐射损伤和污染，也无需透镜和专门的电子源，结构简单，他还能在大气、水溶液等生命的天然条件下或准天然条件下，对生物样品进行直接观察，这正是生命科学家梦寐以求的。
扫描隧道显微镜观察电子结构材料表面电子结构的表征是通过使用扫描隧道谱学技术(简称STS)对样品表面的电子态进行能量和空间的分辨。对电子结构的表征方法主要有两种：dI/dV谱和dI/dV成像。
固定扫描隧道显微镜针尖在样品表面的位置，改变偏压的大小，通过记录电流值进行数值微分，从而得到dI/dV谱，它可以反映样品表面该点处的局域态密度在不同能量下的分布。dI/dV成像是指通过保持同一偏压，改变针
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