实验十三扫描隧道显微镜(STM) 1982年,IBM瑞士苏黎士实验室的葛尼( Gerd binning)和海·罗雷尔( Heinrich Rohrer) 硏制出世界上第一台扫描隧道显微镜( Scanning Tunneling Microscope,简称STM.STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物 化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用 前景,被国际科学界公认为80年代世界十大科技成就之一.为表彰STM的发明者们对科 学研究的杰出贡献,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 与其它表面分析技术相比,STM具有如下独特的优点 1.具有原子级高分辨率,STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达01mm 和001mm,即可以分辨出单个原子 2.可实时再现样品表面的三维图象,用于对表面结构的研究及表面扩散等动态过程的 3.可以观察单个原子层的局部表面结构,因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表 面吸附体的形态和位置 4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作,样品甚至可浸在水和其它溶液中.不需 要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤.这些特点特别适用于研究生物样品和在不 同实验条件下对样品表面的评价,例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中 电极表面变化的监测等 5.配合扫描隧道谱(STS)可以得到有关表面电子结构的信息,例如表面不同层次的 态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等 6.利用STM针尖,可实现对原子和分子的移动和操纵,这为纳米科技的全面发展奠 定了基础 STM也存在因本身的工作方式所造成的局限性.STM所观察的样品必须具有一定的导 电性,因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构,对于非导电材料,必须在其表面覆 盖一层导电膜,但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表面的分辨率.然而 有许多感兴趣的研究对象是不导电的,这就限制了SIM应用.另外,即使对于导电样品 STM观察到的是对应于表面费米能级处的态密度,如果样品表面原子种类不同,或样品表 面吸附有原子、分子时,即当样品表面存在非单一电子态时,STM得到的并不是真实的表 面形貌,而是表面形貌和表面电子性质的综合结果 【实验目的】 1.学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构 2.观测和验证量子力学中的隧道效应 3.学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程,并以之来观察样品的表面形貌; 4.学习用计算机软件处理原始数据图象 【实验仪器】 Nano view-Ⅰ型扫描隧道显微镜,Pt-r金属探针,金薄膜(团簇)样品,高序石墨(HOPG实验十三 扫描隧道显微镜（STM） 1982 年，IBM 瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼(Gerd Binning)和海•罗雷尔(Heinrich Rohrer) 研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称 STM）．STM 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物 化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用 前景，被国际科学界公认为 80 年代世界十大科技成就之一．为表彰 STM 的发明者们对科 学研究的杰出贡献，1986 年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖． 与其它表面分析技术相比，STM 具有如下独特的优点： 1．具有原子级高分辨率，STM 在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达 0.1nm 和 0.01nm，即可以分辨出单个原子． 2．可实时再现样品表面的三维图象，用于对表面结构的研究及表面扩散等动态过程的 研究． 3．可以观察单个原子层的局部表面结构，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表 面吸附体的形态和位置． 4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其它溶液中．不需 要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不 同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中 电极表面变化的监测等． 5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的 态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等． 6．利用 STM 针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠 定了基础． STM 也存在因本身的工作方式所造成的局限性．STM 所观察的样品必须具有一定的导 电性，因此它只能直接观察导体和半导体的表面结构，对于非导电材料，必须在其表面覆 盖一层导电膜，但导电膜的粒度和均匀性等问题会限制图象对真实表面的分辨率．然而， 有许多感兴趣的研究对象是不导电的，这就限制了 STM 应用．另外，即使对于导电样品， STM 观察到的是对应于表面费米能级处的态密度，如果样品表面原子种类不同，或样品表 面吸附有原子、分子时，即当样品表面存在非单一电子态时，STM 得到的并不是真实的表 面形貌，而是表面形貌和表面电子性质的综合结果． 【实验目的】 1．学习和了解扫描隧道显微镜的原理和结构； 2．观测和验证量子力学中的隧道效应； 3．学习掌握扫描隧道显微镜的操作和调试过程，并以之来观察样品的表面形貌； 4．学习用计算机软件处理原始数据图象． 【实验仪器】 NanoView-I 型扫描隧道显微镜，Pt-Ir 金属探针，金薄膜（团簇）样品，高序石墨（HOPG） - 76 -