扫描隧道显微镜 物理与电子科学学院 仲明礼

一、引言    一、显微镜的发展史               人的眼睛不能直接观察到比0.1mm更小的物体或物质的结构细节。人要想看得到更小的物质结构，就必须利用工具，这种工具就是显微镜。 第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是200纳米。由于光的衍射效应，分辨率受制于半波长，可见光的最短波长为0.4微米。             

第二代显微镜：电子显微镜。 1924年，德布罗意提出了微观粒子具有波粒二象性的假设，后来这种假设得到了实验证实。 物理学家们利用电子在磁场中的运动与光线在介质中的传播相似的性质，于1933年发明了电子显微镜。TEM的点分辨率为0.2~0.5nm，晶格分辨率为0.1~0.2nm，它的工作环境都要求高真空，并且使用成本很高，在一定程度上限制了电子显微镜的发展。

第三代显微镜：扫描探针显微镜。 80年代初期，IBM公司苏黎世实验室的G.Binning （宾尼格）和H.Rohrer（罗勒）发明了扫描隧道显微镜，它的分辨率达到0.01纳米。STM的诞生，使人类第一次在真实空间观测到了原子，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。因为这两项重大的意义，这两位科学家荣获了1986年的诺贝尔物理奖。 在STM的基础上，又发明了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等等，这些显微镜都统称扫描探针显微镜。 扫描隧道显微镜检测的是隧道电流，原子力显微镜镜测试的是原子间相互作用力等等。      

二、扫描探针显微镜（STM）原理及设计思路

扫描隧道显微镜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。由于隧道电流(纳安级)随距离而剧烈变化，让针尖  在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表面三维的原子结构图。STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm),它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到了纳观世界。

                                        STM中针尖对样品作两维扫描                                   STM中针尖对样品作两维扫描  距离呈负指数关系 隧道电流与针尖样品表面距离

2、STM恒高模式的产生和局限性            2.1 恒高模式         当针尖扫描样品表面时，记录每点的隧道电流值，针尖以一个恒定的高度在样品表面快速地扫描，检测的是隧道电流经过处理后得到图像。　     恒高模式的局限           如设定高度太高则分辨率不够，如太低碰到样品表面较大的突起时容易撞针。

3、STM恒流模式的产生 3.1 恒流模式 针尖在样品表面扫描时，通过反馈电压不断地调解扫描针尖在竖直方向的位置以保证隧道电流恒定在某一预先设定值，既隧道电流保持恒定。对于电子性质均一的表面，电流恒定实质上意味着恒定针尖和样品的距离，因此通过记录针尖在表面的X-Y方向扫描时的反馈电压可以得到表面的高度轮廓，从而获得样品表面形貌特征。经过计算机的记录和自动计算处理，样品表面的高度将被精确测定。     

3.2 恒流模式的电子实现 头部系统 电子学控制机箱 计算机 压电陶瓷 扫描管 XY 控制 AD/DA 多功能卡 并行口 Z 自动 控制           AD/DA 多功能卡   并行口                               Z 自动 控制                             前置放大器 步进马达 针尖偏 TTL 马达驱动

3.3 恒流模式的三个重要参数：扫描速度、反馈速度、设定点 3.3.1 反馈的提出和应用                 由于运用了反馈技术，使得针尖能够良好地跟踪样品表面，突破了恒高模式的局限。 3.3.2 扫描速度、反馈速度、设定点三者之间的关系                扫描速度：在可以接受的速度下，尽可能让扫描速度慢一些（值越大速度越慢）。 在可以接受的图像质量下，尽可能让扫描速度快一些。 扫描速度过快，来不及反馈，就有可能出现撞针现象；扫描速度过慢，一方面等的时间太长难以承受，另一方面由于漂移现象的存在使针尖漂离开工作区，从而得不到样品表面图像。

漂移产生原因：应力漂移和热漂移 漂移的时间效应：漂移始终存在，扫描时间长一些，会逐渐趋于稳定 。    反馈速度：反馈速度过慢，反馈跟不上，使针尖不能很好的跟踪样品表面形貌的变化。反馈速度过快，针尖上下起伏太快容易引起震荡，从而使样品形貌失真。                 震荡产生的原因：由于反馈的滞后性而产生，只要反馈存在就存在。               设定点：  设定点值过大，针尖距离样品非常近，容易出现撞针事故设定点值过小，针尖距离样品太远，针尖和样品之间的作用力非常小，针尖扫描时隧道电流的变化非常微弱，样品表面的起伏信息很难通过电流变化直接反馈出来。

4、 STM的优缺点  特点：高分辨率，能够获得表面三维图像，可工作在大气、真空、溶液环境下，工作温度可以改变，它的出现使人类第一次能够在三维实空间下观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为有关的物理及化学性质；STM不仅可以用来观察原子分子，还可以在超高真空超低温环境下进行原子操纵。        局限：首先，它不能工作在绝缘表面。其次，现今对STM 的成像理论，尤其对分子的成像理论有不同解释，因其图像反映的是原子或分子的电子结构或者是电子云的密度，所以成像的结果，究竟产生于原子或分子的何种电子轨道，以及分子与基底间相互作用对成像的影响等，其细节尚有待于进一步揭示。

三、SPM基本结构 1、减振系统         是仪器有效得到原子图像的必要保证。有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件， STM原子图像的典型起伏是0.1埃，所以外来振动的干扰必须小于0.05埃。有两类振动是必须隔离的：振动和冲击。振动一般是重复性和连续性的，而冲击则是瞬态变化的，在两者之中，振动隔离是最主要。通常采用悬吊来隔离振动。

2、头部探测系统 由支架、针尖驱动机构（扫描器）、针尖和样品组成，是仪器的工作执行部分。 1）. 扫描系统 扫描系统包括扫描器和针尖块。 1）. 扫描系统                扫描系统包括扫描器和针尖块。               扫描器使用4象限压电陶瓷管，采用样品扫描方式。                 针尖块中密闭着前置放大器，通过引线将放大后的信号送至电子学控制箱。               

2）. 驱进系统   驱进调节机构主要用于粗调和精细调节针尖和样品之间的距离。利用两个精密螺杆手动粗调，配合步进马达，先调节针尖和样品距离至一较小间距（0.2毫米），然后用计算机控制步进马达，使间距从毫米级缓慢降至纳米级（在有反馈的情形下），进入扫描状态。退出时反之。    3）. 支架  支架主要用于固定驱进系统以及与减震系统的连接。　

3、电子学控制系统 是仪器的控制部分，主要实现形貌扫描的各种预设的功能以及维持扫描状态的反馈控制系统。 包括： 包括：        1）. 前置放大器：安装在头部针尖块内；        2）. 头部电路接口：安装在头部支座内；        3）.电子学控制箱：包括前面板、后面板和线路控制部分； 4）. 马达驱动电路：安装在头部支座内，用于手动/计算机自动控制马达的进退，即针尖脱离或趋进样品；      5）.  AD/DA多功能卡：安装在电子控制机箱内。

电子学控制系统功能模块划分 压电陶瓷 扫描管 前置放大器 步进马达 马达驱动 头部系统 电子学控制机箱 控制 XY 自动 Z AD/DA   AD/DA 多功能卡 TTL 计算机 并行口 针尖偏压

4、计算机软件系统 是人机交互操作的主要界面，完成实时的控制、数据的获取和处理，以及数据的分析处理和输出。         

扫描隧道显微镜操作流程 （一）准备工作 清洗准备：清洗镊子、剪刀和探针 剪针尖，放针尖，把针尖架插入探头 注意： A、针尖稍微弯曲，插入针尖架上的细管中，以不掉出来为好 B、为了防止丙酮溶液对针尖架部分的损伤，应当等探针和镊子的丙酮挥发后再放入针尖套管中 制备或检查样品注意： A、用镊子操作，注意不要让镊子碰到样品表面 B、样品检查：表面不能有明显沾污和灰尘

（二）硬件操作 打开电脑、开启控制箱电源 放样品到载物台 打开软件，切换到在线工作模式(此时仪器会自动识别当前针尖类型，软硬件自动切换到相应工作模式，头部液晶屏也会立即显示出当前工作模式)，如果此时想切换XY、Z的大小扫描范围的话，可以点击“新马达趋近”插件，选择好相应的扫描范围，关闭主程序，再切换到在线工作模式。 调节机箱旋钮，设定初始值：（设定点、针尖偏压在硬件状态栏中读数，反馈直接在旋钮上读数） （1）设定点（电流）1.5~2.0 （2）偏压 -0.15~ -0.25； （3）反馈 1.0~1.5 手动粗调使样品靠近针尖。注意门板上的警示字样！！！ 注意：A、转动粗调旋钮前务必保证蝴蝶螺母是松开的务必明确旋转方向和样品上升和下降的关系 B、手动调节样品底座高度，用放大镜观察，针尖与样品距离为0.2-0.3mm最佳（即马达自动趋近的步数在12000~20000步之间），注意不要有回调动作，观察“Z偏置”的指示条是否过头（过头则表明针尖撞上样品了，必须重新剪针尖）。 C、为保证结构刚性请上升完样品后锁住蝴蝶螺母

（三）在线软件操作 注意：所有在线/离线工具栏中的插件都应该是单击执行的 点击“新马达趋近”插件，开始马达自动趋近。 点击“新图像扫描”插件 开始“恒流模式”扫描前设置以下参数 根据所感兴趣的样品特征，设定扫描范围 调整扫描速度（扫描速度太快会损害针尖和样品），速度单位：（秒/行） XY偏置复位 打开算法：“高差”通道，将“反向”和“斜面校正”都勾上。其他通道根据需要勾上“斜面校正” 角度调整为0度或者90度

添加样品说明：双击主程序标题栏上的“样品说明”出现对话框，在样品说明栏添加样品说明。单击“修改”按钮完成修改。 设置数据采集通道 设置数据保留路径 设置采样点数（默认为256*256） 参数设置完毕，执行“恒流模式”扫描命令 注意：A、通常都采用恒流模式扫描点开始扫描时，电脑会执行预扫描，此时不要动作软件、硬件扫描过程中，不要碰头部，如果要微动样品，请至少Z马达复位3000步 开始扫描后，点四个通道的“适应”按钮，根据图像选择“线/面适应” 保留、保存数据；第一次点“保留”后，在主程序右上方的“文件名前缀”旁边的白框上对新建立的文件夹命名 根据图像情况及特征，调整参数，重复上述过程。注意：在参数改变前，一般需要停止扫描

（四）结束硬件操作 扫描完毕，停止扫描 执行马达复位命令 调节机箱旋钮，恢复到初始值 手动退离针尖，取下样品，放入样品盒。注意：退离时务必保证松开蝴蝶螺母 关闭控制箱电源 按需要进行数据分析和处理 关闭程序、关闭计算机

扫描隧道显微镜的针尖制备与清洗 （一）：清洗准备 流程 1. 清洗镊子和剪刀（在分析纯丙酮溶液中用脱脂棉清洗，目的是洗油污。初次使用要清洗3次，该剪刀和镊子应当是专用的，不能用作他用）。 2. 清洗探针（在分析纯丙酮溶液中用脱脂棉清洗，利用脱脂棉的纤维刮掉针尖上粘附的样品碎片）。 （二）： 剪针尖 流程 1．在小量杯中倒入适量的丙酮，并用脱脂棉球清洗镊子、剪刀刃口和铂铱丝(不超过2cm长)。

2．用剪刀在垂直铂铱丝的方向轻轻夹住距铂铱丝一端5毫米处，并保持与铂铱丝不脱离，转动剪刀至铂铱丝和剪刀呈30度角，不紧不慢的剪下1到2毫米，并在接近剪断时伴有剥离动作。 （三）：扫描过程中发现针尖钝化的处理 流程 1．可以采取针尖修饰功能对针尖进行修饰,就是给针尖施加一个强的脉冲电流，达到针尖修饰的效果； 2．取出针尖，在小量杯中倒入适量的丙酮，并用脱脂棉球清洗几次，实践证明，清洗针尖在一定程度上也可以达到剪针尖一样的效果，并且没有应力，同时节省针尖； 3．在针尖经过上述1、2处理都不能达到想要的效果时可以重新剪针尖。