太原師范學院物理系本科畢業(yè)論文

1、掃描隧道顯微鏡原理及應用——對高序石墨表面的虛擬探究學生姓名：指導教師：摘要：掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開了人類對微觀世界觀察的大門，使得人類在納米尺度上研究單一原子以及單一分子的反應成為可能。本文回顧了掃描隧道顯微鏡的發(fā)明過程，總結了它的工作原理，并以觀察高序石墨晶體表面實驗為例展望了它在物理、化學、生物等領域中的應用。關鍵字：掃描隧道顯微鏡STM原理應用高序石墨晶體1.1.引言引言掃描隧道顯微鏡的發(fā)明從古至今，人們一直沒有放棄

2、對微觀世界的探索。1674年，荷蘭人列文虎克（AnthonyVanLeeuwenhoek，16321723）發(fā)明了光學顯微鏡，并利用這臺顯微鏡首次觀察到了血紅細胞。1931年德國科學家ErnstRuska和MaxKnoll根據(jù)磁場可以會聚電子束的原理發(fā)明了電子顯微鏡。電子顯微鏡一出現(xiàn)即展現(xiàn)了它的優(yōu)勢，電子顯微鏡的放大倍數(shù)提高到上萬倍，分辨率達到了108m。在電子顯微鏡下，比細胞小的多的病毒也露出了原形。人們的視覺本領得到了進一步的延伸。

3、但電子顯微鏡存在著很多不足，高速電子容易透入物質深處，低速電子又容易被樣品的電磁場偏折，故電子顯微鏡很少能對表面結構有所揭示，表面物理的迅速發(fā)展又急需一種能夠觀測物質表面結構的顯微術.在人類進入了原子時代的今天，科學技術的發(fā)展呼喚著更加精確、分辨率更高的儀器的發(fā)明和面世。正象絕大多數(shù)科學的新發(fā)現(xiàn)和新發(fā)明都具有其偶然性和必然性一樣，當二十世紀七十年代末德裔物理學家葛?賓尼(GerdBining)博士和他的導師海?羅雷爾(HeinrichR

4、ohrer)博士在IBM公司(InternationalBusinessMachinesCpation)設在瑞士蘇黎士的實驗室進行超導實驗時，他們并沒有把自己的有關超導隧道效應的研究與新型顯微鏡的發(fā)明聯(lián)系到一起。但是真空中超導隧道譜的研究已經(jīng)為他們今后發(fā)明掃描隧道顯微鏡準備了堅實的理論和實驗基礎。一次偶然的機會，他們讀到了物理學家羅伯特?楊撰寫的一篇有關“形貌儀”的文章。這篇文章中有關驅動探針在樣品表面掃描的方法使他們突發(fā)奇想：難道不能

5、利用導體的隧道效應來探測物體表面并得到表面的形貌嗎？以后的事實證明，這真是一個絕妙的想法。經(jīng)過師生兩人的不懈努力，1981年，世界上第一臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡終于誕生了。這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠實時地觀測到原子在物質表面的排列狀態(tài)和研與表面電子行為有關的物理化學性質，對表面科學、材料科學、生命科學以及微電子技術的研究有著重大意義和重要應用價值。兩位科學家因此與電子顯微鏡的發(fā)明者ERuska教授一起榮獲1986年諾貝爾

6、物理獎。2.STM2.STM的工作原理的工作原理22.3STM的工作方式STM有兩種工作方式。圖3恒流模式圖4恒高模式2.3.1恒電流模式如圖3所示，利用一套電子反饋線路控制隧道電流I，使其保持恒定。再通過計算機系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流I不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，S

7、TM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高，應用廣泛。（圖中S為針尖與樣品間距，I、Vb為隧道電流和偏置電壓，Vz為控制針尖在Z方向高度的反饋電壓。）2.3.2恒高度模式如圖4所示，在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離S將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(fā)生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣