掃描隧道顯微鏡的基本原理

掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于1nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān).[4]。
　　隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。
　　將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來(lái)，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象[5]。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過(guò)加在z向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品[6]。
　　是利用SPM進(jìn)行納米加工的客觀依據(jù)。同時(shí)也說(shuō)明，SPM不是簡(jiǎn)單用來(lái)成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具。
　　5教學(xué)課程安排
　　1)周：原理簡(jiǎn)介與上機(jī)模擬。課后著手資料定向查詢并準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)報(bào)告。
　　2)第二周：演示與學(xué)生實(shí)驗(yàn)。先用鐵絲作探針練習(xí)，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品(光柵)的測(cè)量。
　　3)第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進(jìn)行圖像處理。課后資料定向查詢并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。報(bào)告內(nèi)容:心得、體會(huì)及建議，STM在某個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用或STM儀器的某部件的原理。
　　4)第四周：宣講實(shí)驗(yàn)報(bào)告，每人15分鐘(包括5分鐘提問(wèn))。
　　6圖像處理
　　1)平滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平均。
　　2)斜面校正：選擇斜面的一個(gè)頂點(diǎn)，以該頂點(diǎn)為基點(diǎn)，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。
　　3)中值濾波：傅立葉變換。對(duì)圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時(shí)很有用.