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2023-06-20
STM工作原理解析
【摘要】：图3-38STM的工作原理及仪器结构根据STM记录数据的不同，可将STM的工作模式分为恒流扫描和恒高扫描。图3-39STM的两种工作模式恒流模式恒高模式两种工作模式各有优缺点，恒流模式具有更好的垂直分辨率，但其扫描速度较慢；而恒高模式的扫描速度较快，可用于样品的某些动力学过程的研究，但其垂直分辨率较低。选择STM的工作模式时主要考虑样品表面的平整度，当样品表面粗糙时，通常采用恒流扫描；而样品表面很光滑时，可采取恒高模式。
根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率可以穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与两个导体之间的距离S和平均功函数Φ有关，为
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），Φ1和Φ2分别是针尖和样品的功函数；A为常数，在真空条件下约等于1。
扫描隧道显微镜的基本原理就是基于这种隧道效应，其工作原理如图3-38所示。将尖端为原子级的金属探针和被研究的物质表面分别作为两个电极，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，电子会穿透两个电极之间的势垒从一个电极流向另一个电极，并形成定向运动的隧道电流。从式（3-5）可以清晰地看出，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0.1 nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，利用电子线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品表面上的高低变化就可反映出样品表面微小的高低起伏变化的信息，从这种信息中可以得到样品表面的形貌和原子的排列状态。如果同时对x，y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。
图3-38 STM的工作原理及仪器结构
根据STM记录数据（扫描方式）的不同，可将STM的工作模式分为恒流扫描和恒高扫描。在恒流模式下，保持隧道电流不变，调节探针的高度，使其随样品表面的高低起伏而上下移动。在这种模式下，探针移动时，若间距变大，则势垒增加，电流变小，这时，反馈系统控制压电管变形使探针与样品间的间距变小，以保持隧道电流始终等于定值。相反，当探针与样品间距变小时，压电管则向远离样品的方向移动以保持恒定的隧道电流。探针在样品表面进行二维扫描时，记录压电管在z方向的变形即可得到样品的表面形貌，如图3-39（a）所示。而恒高扫描则是保持探针高度不变，平移探针进行扫描，并直接记录隧道电流随样品表面起伏的变化来反映样品的形貌信息，如图3-39（b）所示。
图3-39 STM的两种工作模式
（a）恒流模式 （b）恒高模式
两种工作模式各有优缺点，恒流模式具有更好的垂直分辨率，但其扫描速度较慢；而恒高模式的扫描速度较快，可用于样品的某些动力学过程的研究，但其垂直分辨率较低。选择STM的工作模式时主要考虑样品表面的平整度，当样品表面粗糙时，通常采用恒流扫描；而样品表面很光滑时，可采取恒高模式。
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