样品等。 【实验原理】 1.隧道电流 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧 道效应.对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于 前方势垒的高度V时，它不可能越过此势垒，即透射 系数等于零，粒子将完全被弹回.而按照量子力学的 图1量子力学中的隧道效应 计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是 说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动 性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著，经计算，透射系数 T16E(。-E)。m-西 (1) V 由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差('E)以及粒子的质量m有着很敏感 的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒 的现象. 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时（通常小于1nm),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.隧道电流I是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量 度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数中有关 Ioc'exp(-AΦpS) (2) 式中V6是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数中≈（中1+中2）2，中，和中分 别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1.隧道探针一般采用直径小于 lm的细金属丝，如钨丝、铂一铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道 电流 由(2)式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离 减小0.lm,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， 就可以直接得到样品的表面三维形 貌图. 针尖驱动机构 电子学系统 2.STM的结构和工作模式 架 针尖 STM仪器由具有减振系统的 STM头部、电子学控制系统和包括 样品 AD多功能卡的计算机组成（图 计算机 2),头部的主要部件是用压电陶瓷 减震系统 做成的微位移扫描器，在x-y方向 图2STM基本构成 -77-样品等． 【实验原理】 1．隧道电流 扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧 道效应．对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于 前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射 系数等于零，粒子将完全被弹回．而按照量子力学的 计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是 说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应，它是由于粒子的波动 性而引起的，只有在一定的条件下，这种效应才会显著．经计算，透射系数 图 1 量子力学中的隧道效应 )(2 2 2 0 0 16 0 EVm a e V EVE T − − − ≈ ）（ = （1） 由式中可见，透射系数T与势垒宽度a、能量差（V0-E）以及粒子的质量m有着很敏感 的依赖关系，随着a的增加，T将指数衰减，因此在宏观实验中，很难观察到粒子隧穿势垒 的现象． 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时（通常小于 1 nm），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．隧道电流 I 是针尖的电子波函数与样品的电子波函数重叠的量 度，与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数Φ有关 exp( ) 21 SAVI b −∝ Φ （2） 式中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数Φ≈ (Φ1+Φ2) /2，Φ1和Φ2分 别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于 1．隧道探针一般采用直径小于 1mm的细金属丝，如钨丝、铂—铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道 电流． 由（2）式可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，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， 就可以直接得到样品的表面三维形 貌图． 电子学系统 支 架 计算机 减震系统 针尖驱动机构 针尖 样品 图 2 STM 基本构成 2．STM 的结构和工作模式 STM 仪器由具有减振系统的 STM 头部、电子学控制系统和包括 A/D 多功能卡的计算机组成（图 2）．头部的主要部件是用压电陶瓷 做成的微位移扫描器，在 x- y 方向 - 77 -