太原師范學(xué)院物理系本科畢業(yè)論文

1、掃描隧道顯微鏡原理及應(yīng)用——對(duì)高序石墨表面的虛擬探究學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：摘要：掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開了人類對(duì)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(yīng)成為可能。本文回顧了掃描隧道顯微鏡的發(fā)明過程，總結(jié)了它的工作原理，并以觀察高序石墨晶體表面實(shí)驗(yàn)為例展望了它在物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān)鍵字：掃描隧道顯微鏡STM原理應(yīng)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(duì)微觀世界的探索。1674年，荷蘭人列文虎克（AnthonyVanLeeuwenhoek，16321723）發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，并利用這臺(tái)顯微鏡首次觀察到了血紅細(xì)胞。1931年德國科學(xué)家ErnstRuska和MaxKnoll根據(jù)磁場可以會(huì)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(shì)，電子顯微鏡的放大倍數(shù)提高到上萬倍，分辨率達(dá)到了108m。在電子顯微鏡下，比細(xì)胞小的多的病毒也露出了原形。人們的視覺本領(lǐng)得到了進(jìn)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(zhì)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(duì)表面結(jié)構(gòu)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(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微術(shù).在人類進(jìn)入了原子時(shí)代的今天，科學(xué)技術(shù)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(xué)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(dāng)二十世紀(jì)七十年代末德裔物理學(xué)家葛?賓尼(GerdBining)博士和他的導(dǎo)師海?羅雷爾(HeinrichR

4、ohrer)博士在IBM公司(InternationalBusinessMachinesCpation)設(shè)在瑞士蘇黎士的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們并沒有把自己的有關(guān)超導(dǎo)隧道效應(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)備了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。一次偶然的機(jī)會(huì)，他們讀到了物理學(xué)家羅伯特?楊撰寫的一篇有關(guān)“形貌儀”的文章。這篇文章中有關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體的隧道效應(yīng)來探測物體表面并得到表面的形貌嗎？以后的事實(shí)證明，這真是一個(gè)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(tái)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?qū)崟r(shí)地觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和研與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。兩位科學(xué)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(jiǎng)。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(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個(gè)方向作二維運(yùn)動(dòng)。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(huì)保持不變，因而針尖就會(huì)隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，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(zhì)量高，應(yīng)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(duì)樣品進(jìn)行掃描過程中保持針尖的絕對(duì)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(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣