stm的工作原理

簡介

掃描隧道顯微鏡
STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。

隧道針尖

隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態。

掃描隧道顯微鏡結構
針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前，二者就發生碰撞[1]。

制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑- 銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學腐蝕法。而鉑- 銥合金針尖則多用機械成型法，一般 直接用剪刀剪切 而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質，這經常是造成隧道電流不穩、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此，每次實驗前，都要對針尖進行處理，一般用化學法清洗，去除表面的氧化層及雜質，保證針尖具有良好的導電性[1]。

三維掃描控制器

由于儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。

掃描出的納米級圖像
壓電陶瓷利用了壓電現象。所謂的壓電現象是指某種類型的晶體在受 到機械力發生形變時會產生電場，或給晶體加一電場時晶體會產生物理形變的現象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質，但廣泛被采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移[1]。

用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有以下幾種

①三腳架型，由三根獨立的長棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動。

②單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定)，導致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側膨脹，相對的另一側收縮，增加掃描范圍，亦可以加上直流偏置電壓，用于調節掃描區域。

③十字架配合單管型，z方向的運動由處在“十”字型中心的一個壓電陶瓷管完成，x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結構的x-y掃描單元是一種互補結構，可以在一定程度上補償熱漂移的影響。

除了使用壓電陶瓷，還有一些三維掃描控制器使用螺桿、簧片、電機等進行機械調控。

減震系統

由于儀器工作時針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數關系，因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和沖擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手[1]。

電子學控制系統

掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統，因此，電子學控制系統也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動，使探針逼近樣品，進入隧道區，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較，再通過反饋系統控制探針的進與退，從而保持隧道電流的穩定。所有這些功能，都是通過電子學控制系統來實現的。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學控制控制系統的框圖[1]。

在線掃描控制系統

掃描隧道顯微鏡拍下的dna
在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統中，計算機軟件所起的作用主要分為“在 線掃描控制”和“離線數據分析”兩部分。

在線掃描控制

①參數設置功能

在掃描隧道顯微鏡實驗中，計算機軟件主要實現掃描時的一些基本參數的設定、調節，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數據圖象等。計算機軟件將通過計算機接口實現與電子設備間的協調共同工作。在線掃描控制中一些參數的設置功能如下：

⑴“電流設定”的數值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表著恒電流掃描過程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數值設定越大，這一恒定距離也越小。測量時“電流設定”一般在“0.5-1.0nA” 范圍內。

⑵“針尖偏壓”是指加在針尖和樣品之間、用于產生隧道電流的電壓真實值。這一數值設定越大，針尖和樣品之間越容易產生隧道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越大，恒高度掃描模式中產生的隧道電流也越大。“針尖偏壓”值一般設定在“50-100mV”范圍左右。

⑶“Z電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實電壓。Z電壓的初始值決定了壓電陶瓷的初始狀態，隨著掃描的進行，這一數值要發生變化。“Z電壓”在探針遠離樣品時的初始值一般設定在“-150.0mV— -200.0mV”左右。

⑷“采集目標”包括“高度”和“隧道電流”兩個選項，選擇掃描時采集的是樣品表面高度變化的信息還是隧道電流變化的信息。

⑸“輸出方式”決定了將采集到的數據顯示成為圖象還是顯示成為曲線。

⑹“掃描速度”可以控制探針掃描時的延遲時間，該值越小，掃描越快。

⑺“角度走向”是指探針水平移動的偏轉方向，改變角度的數值，會使掃描得到的圖象發生旋轉。

“掃描隧道顯微鏡”下拍攝的“血細胞”
⑻“尺寸”是設置探針掃描區域的大小，其調節的最大值有量程決定。 尺寸越小，掃描的精度也越高，改變尺寸的數值可以產生掃描圖象的放大與縮小的作用。

⑼“中心偏移”是指掃描的起始位置與樣品和針尖剛放好時的偏移距離，改變中心偏移的數值能使針尖發生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是當前量程決定的最大尺寸。

⑽ “工作模式”決定掃描模式是恒電流模式還是恒高度模式。

⑾ “斜面校正”是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時所做的軟件校正。

⑿ “往復掃描”決定是否進行來回往復掃描。

⒀“量程”是設置掃描時的探測精度和最大掃描尺寸的大小。

這些參數的設置除了利用在線掃描軟件外，利用電子系統中的電子控制箱上的旋鈕也可以設置和調節這些參數[1]。

②馬達控制

當使用軟件控制馬達使針尖逼近樣品時，首先要確保電動馬達控制器的紅色按鈕處于彈起狀態，否則探頭部分只受電子學控制系統控制，計算機軟件對馬達的控制不起作用。馬達控制軟件將控制電動馬達以一個微小的步長轉動，使針尖緩慢靠近樣品，直到進入隧道區為止。

馬達控制的操作方式為：“馬達控制”選擇“進”，點擊“連續”按鈕進行連續逼近，當檢測到的隧道電流達到一定數值后，計算機會進行警告提示，并自動停止逼近，此時單擊“單步”按鈕，直到“Z電壓”的數值接近零時停止逼近，完成馬達控制操作[1]。

離線數據分析軟件

離線數據分析是指脫離掃描過程之后的針對保存下來的圖象數據的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立葉變換、圖象反轉、數據統計、三維生成等。

⑴平滑，平滑的主要作用是使圖象中的高低變化趨于平緩，消除數據點發生突變的情況。

⑵濾波，濾波的基本作用是可將一系列數據中過高的削低、過低的添平。因此，對于測量過程中由于針尖抖動或其它擾動給圖象帶來的很多毛刺，采用濾波的方式可以大大消除。

⑶傅立葉變換，快速傅立葉變換對于研究原子圖象的周期性時很有效。

⑷圖象反轉，將圖象進行黑白反轉，會帶來意想不到的視覺效果。

⑸數據統計，用統計學的方式對圖象數據進行統計分析。

⑹三維生成，根據掃描所得的表面型貌的二維圖象，生成直觀美麗的三維圖象。

大多數的軟件中還提供很多其它功能，綜合運用各種數據處理手段，最終得到自己滿意的圖象[1]。

工作原理
掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成）。一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面。當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細致地探出它的輪廓。在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個網格結構的單個原子的美麗圖片。

工作模式
恒電流模式

用掃描隧道顯微鏡拍攝到的圖像
利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過計算機系統控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高， 應用廣泛。

恒高度模式

STM工作原理
在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離將發生變化，隧道電流I的大小也隨著發生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點是利