扫描隧道显微镜详解学习教案.pptx

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1、扫描扫描(somio)隧道显微镜详解隧道显微镜详解第一页，共32页。一一.实验实验(shyn)目的目的1.1.学学习习和和了了解解扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的原理和结构；原理和结构；2.2.观观测测和和验验证证(ynzhng)量量子子力力学中的隧道效应；学中的隧道效应；3.3.学学习习扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜的的操操作作和和调调试试过过程程，并并以以之之来来观观测测样样品品的表面形貌；的表面形貌；4.4.学学习习用用计计算算机机软软件件处处理理原原始始图图象数据。象数据。第1页/共32页第二页，共32页。二.实验(shyn)原理1.引言引言2.隧道效应隧道效应(xioyng)3.扫描隧

2、道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理第2页/共32页第三页，共32页。1.引言引言(ynyn)生生命命科科学学等等领领域域的的研研究究中中有有着着重重大大的的意意义义和和广广泛泛的的应应用用(yngyng)(yngyng)前前景景，被被国国际际科科学学界界公公认认为为2020世世纪纪8080年年代代世世界界十十大大科科技技成成就就之一之一 19861986年年宾宾尼尼和和罗罗雷雷尔尔被被授予诺贝尔物理学奖金授予诺贝尔物理学奖金 1982 1982年，年，IBMIBM瑞士苏黎士实验室的葛瑞士苏黎士实验室的葛宾尼宾尼(G(GBinning)Binning)和海和海罗雷尔罗雷尔(H(HRohr

3、er)Rohrer)研制出世界上第一台扫描隧道显微镜研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunnelling Microscope(Scanning Tunnelling Microscope，简称，简称STM)STM)STMSTM使人类第一次使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面能够实时地观察单个原子在物质表面(biomin)(biomin)的排列状态和与表的排列状态和与表面面(biomin)(biomin)电子行为有关的物化性质，在表面电子行为有关的物化性质，在表面(biomin)(biomin)科学、科学、材料科学、材料科学、第3页/共32页第四页，共32页。(1)

4、(1)(1)(1)原子的概念：二千多年前的德莫克利特（约公元前原子的概念：二千多年前的德莫克利特（约公元前原子的概念：二千多年前的德莫克利特（约公元前原子的概念：二千多年前的德莫克利特（约公元前460460460460361361361361）提）提）提）提出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到的客体。出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到的客体。出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到的客体。出原子论，但当时的所谓原子还只是假设而并非可观测到的客体。(2)(2)(2)(2)人眼睛的分辨本领：人眼睛的分辨本领：人眼睛的分辨本领：人眼睛的分辨本领：-10-4m-

5、10-4m-10-4m-10-4m。(3)(3)(3)(3)光学显微镜的分辨率：光学显微镜的分辨率：光学显微镜的分辨率：光学显微镜的分辨率：-10-7m-10-7m-10-7m-10-7m，使人们可观察细菌、细胞等小，使人们可观察细菌、细胞等小，使人们可观察细菌、细胞等小，使人们可观察细菌、细胞等小物体，但受限于光波的衍射效应等。物体，但受限于光波的衍射效应等。物体，但受限于光波的衍射效应等。物体，但受限于光波的衍射效应等。(4)(4)(4)(4)电子显微镜：扫描电子显微镜（电子显微镜：扫描电子显微镜（电子显微镜：扫描电子显微镜（电子显微镜：扫描电子显微镜（SEMSEMSEMSEM）的分辨率为

6、）的分辨率为）的分辨率为）的分辨率为10-9m10-9m10-9m10-9m，而高分，而高分，而高分，而高分辨透射电子显微镜（辨透射电子显微镜（辨透射电子显微镜（辨透射电子显微镜（HTEMHTEMHTEMHTEM）可以达到原子级的分辨率）可以达到原子级的分辨率）可以达到原子级的分辨率）可以达到原子级的分辨率0000InmInmInmInm，但主，但主，但主，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术

7、和真空条件。空条件。空条件。空条件。(5)(5)(5)(5)场离子显微镜（场离子显微镜（场离子显微镜（场离子显微镜（FIMFIMFIMFIM）：能直接观察表面）：能直接观察表面）：能直接观察表面）：能直接观察表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)原子像，但只原子像，但只原子像，但只原子像，但只能探测半径小于能探测半径小于能探测半径小于能探测半径小于100nm100nm100nm100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为

8、样品的材料也十分有限。制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限。制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限。制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限。(6)X(6)X(6)X(6)X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。间的信息，且只限于研究晶体或周期结构的样品。第4页/共32页第五

9、页，共32页。右图是中国科学院化右图是中国科学院化学所的科技人员利用学所的科技人员利用纳米纳米(n m)(n m)加工技加工技术在石墨表面通过搬术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地世界上最小的中国地图。图。与其他表面与其他表面(biomin)(biomin)分析技术相比，分析技术相比，STMSTM具有如具有如下独特的优点：下独特的优点：(1)(1)具有具有(jyu)(jyu)原子级高分辨率，原子级高分辨率，STM STM 在平行于样品表面方向在平行于样品表面方向上上 的分辨率分别可达横向：的分辨率分别可达横向：0.Inm 0.Inm、纵向：、纵向：0.01n

10、m0.01nm。第5页/共32页第六页，共32页。(2)(2)(2)(2)可实时得到实空间中样品表面可实时得到实空间中样品表面可实时得到实空间中样品表面可实时得到实空间中样品表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)的三维图像，可用的三维图像，可用的三维图像，可用的三维图像，可用于具有于具有于具有于具有 周期性或不具备周期性的表面周期性或不具备周期性的表面周期性或不具备周期性的表面周期性或不具备周期性的表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)结构的研究。结构的研究。结构的研究。结构的研究。(3)(3)(3)(3)可以观察单个原子层的局部表面

11、可以观察单个原子层的局部表面可以观察单个原子层的局部表面可以观察单个原子层的局部表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)结构，而不是对结构，而不是对结构，而不是对结构，而不是对体相或体相或体相或体相或 整个表面整个表面整个表面整个表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)的平均性质，因而可直接观察到表面的平均性质，因而可直接观察到表面的平均性质，因而可直接观察到表面的平均性质，因而可直接观察到表面(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)缺陷、表缺陷、表缺陷、表缺陷、表 面重构、表面面重构、表面面重构、表面面重构、表面

12、(biomin)(biomin)(biomin)(biomin)吸附体的形态和位置。吸附体的形态和位置。吸附体的形态和位置。吸附体的形态和位置。硅硅(111)(111)面面7777原子原子重构像：为了得到表面重构像：为了得到表面清洁的硅片单质材料，清洁的硅片单质材料，对硅片进行高温加热和对硅片进行高温加热和退火退火(tu hu)(tu hu)处理，在处理，在加热和退火加热和退火(tu hu)(tu hu)处处理的过程中硅表面的原理的过程中硅表面的原子进行重新组合，结构子进行重新组合，结构发生较大变化，这就是发生较大变化，这就是所谓的重构。所谓的重构。第6页/共32页第七页，共32页。(4)(4

13、)(4)(4)可可可可在在在在真真真真空空空空(zhnkng)(zhnkng)(zhnkng)(zhnkng)、大大大大气气气气、常常常常温温温温等等等等不不不不同同同同环环环环境境境境下下下下工工工工作作作作，样样样样品品品品甚甚甚甚至至至至可可可可浸浸浸浸在在在在水水水水和和和和其其其其他他他他溶溶溶溶液液液液中中中中，不不不不需需需需要要要要特特特特别别别别的的的的制制制制样样样样技技技技术术术术并并并并且且且且探探探探测测测测过过过过程程程程对对对对样样样样品品品品无无无无损损损损伤伤伤伤这这这这些些些些特特特特点点点点特特特特别别别别适适适适用用用用于于于于研研研研究究究究生生生生物

14、物物物样样样样品品品品和和和和在在在在不不不不同同同同实实实实验验验验条条条条件件件件下下下下对对对对样样样样品品品品表表表表面面面面的的的的评评评评价价价价，例例例例如如如如对对对对于于于于多多多多相相相相催催催催化化化化机机机机理理理理、超超超超一一一一身身身身地地地地创创创创、电电电电化化化化学学学学反反反反应应应应过过过过程程程程中中中中电电电电极极极极表表表表面面面面变变变变化的监测等。化的监测等。化的监测等。化的监测等。液体液体液体液体(yt)(yt)中观察原中观察原中观察原中观察原子图象子图象子图象子图象 下图所示的是在电下图所示的是在电下图所示的是在电下图所示的是在电解液中得到

15、的硫酸根解液中得到的硫酸根解液中得到的硫酸根解液中得到的硫酸根离子吸附在铜单晶离子吸附在铜单晶离子吸附在铜单晶离子吸附在铜单晶(111)(111)表面的表面的表面的表面的STMSTM图象。图象。图象。图象。图中硫酸根离子吸附图中硫酸根离子吸附图中硫酸根离子吸附图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结状态的一级和二级结状态的一级和二级结状态的一级和二级结构清晰可见。构清晰可见。构清晰可见。构清晰可见。第7页/共32页第八页，共32页。(5)(5)(5)(5)配配配配合合合合扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧道道道道谱谱谱谱（STSSTSSTSSTS）可可可可以以以以得得得得到到到到有有有有关关关关表表表表面面

16、面面电电电电子子子子结结结结构构构构的的的的信信信信息息息息，例例例例如如如如表表表表面面面面不不不不同同同同层层层层次次次次的的的的态态态态密密密密度度度度。表表表表面面面面电电电电子子子子阱阱阱阱、电电电电荷荷荷荷密密密密度度度度波波波波、表表表表面面面面势垒的变化势垒的变化势垒的变化势垒的变化(binhu)(binhu)(binhu)(binhu)和能隙结构等和能隙结构等和能隙结构等和能隙结构等(6)(6)(6)(6)利利利利用用用用STMSTMSTMSTM针针针针尖尖尖尖，可可可可实实实实现现现现对对对对原原原原子子子子和和和和分分分分子子子子的的的的移移移移动动动动和和和和操操操操纵

17、纵纵纵，这这这这为为为为纳纳纳纳米米米米科技的全面发展奠定了基础科技的全面发展奠定了基础科技的全面发展奠定了基础科技的全面发展奠定了基础 1990 1990 1990 1990年，年，年，年，IBMIBMIBMIBM公司的科学家展示了一项成果公司的科学家展示了一项成果公司的科学家展示了一项成果公司的科学家展示了一项成果(chnggu)(chnggu)(chnggu)(chnggu)，他，他，他，他们在金属镍表面用们在金属镍表面用们在金属镍表面用们在金属镍表面用35353535个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”“IBM”“IBM”“IBM”

18、三个英文三个英文三个英文三个英文字母。字母。字母。字母。第8页/共32页第九页，共32页。2隧道效应隧道效应 对于经典物理学来说，当一个粒子的对于经典物理学来说，当一个粒子的动能动能 E 低于前方势垒的高度低于前方势垒的高度 V0 时，它时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，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，粒子可以于零，也就是说，粒子可以(ky)穿过比穿过比它能量更高的势垒它能量更高的势垒(如图如图1)这个现象称为这个现象称为隧道效应。

19、隧道效应。隧道隧道(sudo)(sudo)效应是由于粒子的波效应是由于粒子的波动性而引起的，透射系数动性而引起的，透射系数 T T 为：为：可见：可见：T T与势垒宽度与势垒宽度a a，能量差，能量差(V0-E)(V0-E)以以及粒子的质量及粒子的质量(zhling)m(zhling)m有着很敏感的关有着很敏感的关系。随着势垒厚系。随着势垒厚(宽宽)度度a a的增加，的增加，T T将指数衰将指数衰减。减。第9页/共32页第十页，共32页。扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被

20、研究扫描隧道显微镜的基本原理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物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近(通常小通常小通常小通常小于于于于1nm)1nm)1nm)1nm)时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势时，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。垒流向另一电极。垒流向另一电极。垒流向另一电极。隧道电流是电

21、子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离隧道电流是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S S S S 以及平均以及平均以及平均以及平均(pngjn)(pngjn)(pngjn)(pngjn)功函数功函数功函数功函数有关：有关：有关：有关：3扫描扫描(somio)隧道显微镜的工隧道显微镜的工作原理作原理式中式中VbVb是加在针尖和样品之间的偏置电压。是加在针尖和样品之间的偏置电压。11和和22分别为分别为针尖和样品的功函数，针尖和样品的功函数，A A为常数为常数(chngsh)(chng

22、sh)，在真空条件下，在真空条件下约等于约等于1 1。第10页/共32页第十一页，共32页。由上式可知，隧道电流强度由上式可知，隧道电流强度 I I 对针尖和样品之间的距离对针尖和样品之间的距离 a a 有着指数依赖关系，当距离减小有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm0.1nm，隧道电流即增加约一个，隧道电流即增加约一个数量级。因此，当针尖和样品表面做相对移动时，根据数量级。因此，当针尖和样品表面做相对移动时，根据(gnj)(gnj)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，如果同时对信息，如果同时对x-yx-y方向

23、进行扫描，就可以直接得到三维的样方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度扫描隧道显微镜主要有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。模式。第11页/共32页第十二页，共32页。1.1.1.1.隧道隧道隧道隧道(s(s(s(suuuuddddo)o)o)o)针针针针尖尖尖尖三三.实验实验(shyn)仪仪器和样品器和样品 隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响

24、着测定的电子态。.针尖的宏观结构应具有高的弯曲共振频率，可减少相位滞后，提高(t go)采集速度。.针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，这样隧道电流才会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。.针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。第12页/共32页第十三页，共32页。制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制制备针尖的方法目前主要有电化学腐蚀法、机械成型

25、法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂备针尖的材料主要有金属钨丝、铂备针尖的材料主要有金属钨丝、铂备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制铱合金丝等。钨针尖的制铱合金丝等。钨针尖的制铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂备常用电化学腐蚀法。而铂备常用电化学腐蚀法。而铂备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，铱合金针尖则多用机械成型法，铱合金针尖则多用机械成型法，铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖一般直接用剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖一般直接用

26、剪刀剪切而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验每次实验每次实验每次实验(shyn)(shyn)(shyn)(shyn)前，都要对针尖进行处理，一般用化学法

27、清前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。电化学腐蚀法制备的电化学腐蚀法制备的钨针尖钨针尖用机械成型法剪切的用机械成型法剪切的铂铂-铱合金针尖铱合金针尖第13页/共32页第十四页，共32页。2.2.2.2.三维扫描三维扫描三维扫描三维扫描(somio)(somio)(somio)(somio)控制器控制器控制

28、器控制器压电陶瓷：由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，压电陶瓷：由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为瓷材料作为x-y-zx-y-z扫描控制器件。所谓压电陶瓷是指，当在压电陶扫描控制器件。所谓压电陶瓷是指，当在压电陶瓷对称的两端加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，瓷对称的两端加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短，而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。许多化合而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。许多化合物的单晶，如

29、石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅Pb(Ti,Zr)O3(Pb(Ti,Zr)O3(简称简称PZT)PZT)和钛酸钡等。和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单压电陶瓷材料能以简单(jindn)(jindn)的方式将的方式将 1mV-1000 V 1mV-1000 V 的电压信的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。三维扫描控制器：用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主三维扫描控制器：用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配

30、合单管型等几种。下图给出要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。下图给出了这几种类型的结构示意了这几种类型的结构示意(shy)(shy)简图，其中：简图，其中：(a)(a)为三脚架型，为三脚架型，(b)(b)为单管型，为单管型，(c)(c)为十字架配合单管型。为十字架配合单管型。第14页/共32页第十五页，共32页。第15页/共32页第十六页，共32页。(a)(a)(a)(a)为为为为三三三三脚脚脚脚架架架架型型型型：由由由由三三三三根根根根独独独独立立立立的的的的长长长长棱棱棱棱柱柱柱柱型型型型压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷材材材材料料料料以以以以相相相相互互互互正正正正交交交交的的

31、的的方方方方向向向向结结结结合合合合在在在在一一一一起起起起，针针针针尖尖尖尖放放放放在在在在三三三三脚脚脚脚架架架架的的的的顶顶顶顶端端端端，三三三三条条条条腿腿腿腿独独独独立立立立地地地地伸伸伸伸展展展展与与与与收收收收缩缩缩缩，使使使使针尖沿针尖沿针尖沿针尖沿x-y-zx-y-zx-y-zx-y-z三个方向运动。三个方向运动。三个方向运动。三个方向运动。(b)(b)(b)(b)为为为为单单单单管管管管型型型型：陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷管管管管的的的的外外外外部部部部电电电电极极极极分分分分成成成成(fn(fn(fn(fn chn)chn)chn)chn)面面面面积积积积相相相相等等等等的的的的四

32、四四四份份份份，内内内内壁壁壁壁为为为为一一一一整整整整体体体体电电电电极极极极，在在在在其其其其中中中中一一一一块块块块电电电电极极极极上上上上施施施施加加加加电电电电压压压压，管管管管子子子子的的的的这这这这一一一一部部部部分分分分就就就就会会会会伸伸伸伸展展展展或或或或收收收收缩缩缩缩(由由由由电电电电压压压压的的的的正正正正负负负负和和和和压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷的的的的极极极极化化化化方方方方向向向向决决决决定定定定)，导导导导致致致致陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷管管管管向向向向垂垂垂垂直直直直于于于于管管管管轴轴轴轴的的的的方方方方向向向向弯弯弯弯曲曲曲曲。通通通通过过过过在在在在相相

33、相相邻邻邻邻的的的的两两两两个个个个电电电电极极极极上上上上按按按按一一一一定定定定顺顺顺顺序序序序施施施施加加加加电电电电压压压压就就就就可可可可以以以以实实实实现现现现在在在在x-yx-yx-yx-y方方方方向向向向的的的的相相相相互互互互垂垂垂垂直直直直移移移移动动动动。在在在在z z z z方方方方向向向向的的的的运运运运动动动动是是是是通通通通过过过过在在在在管管管管子子子子内内内内壁壁壁壁电电电电极极极极施施施施加加加加电电电电压压压压使使使使管管管管子子子子整整整整体体体体收收收收缩缩缩缩实实实实现现现现的的的的。管管管管子子子子外外外外壁壁壁壁的的的的另另另另外外外外两两两两个

34、个个个电电电电极极极极可可可可同同同同时时时时施施施施加加加加相相相相反反反反符符符符号号号号的的的的电电电电压压压压使使使使管管管管子子子子一一一一侧侧侧侧膨膨膨膨胀胀胀胀，相相相相对对对对的的的的另另另另一一一一侧侧侧侧收收收收缩缩缩缩，增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。(c)(c)(c)(c)为为为为十十十十字字字字架架架架配配配配合合合合单单单单管管管管型型型型：z z z z方方方方向向向向的的的

35、的运运运运动动动动由由由由处处处处在在在在“十十十十”字字字字型型型型中中中中心心心心的的的的一一一一个个个个压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷管管管管完完完完成成成成，x x x x和和和和y y y y扫扫扫扫描描描描电电电电压压压压以以以以大大大大小小小小相相相相同同同同、符符符符号号号号相相相相反反反反的的的的方方方方式式式式分分分分别别别别加加加加在在在在一一一一对对对对x x x x、-x-x-x-x和和和和y y y y、-y-y-y-y上上上上。这这这这种种种种结结结结构构构构的的的的x-yx-yx-yx-y扫扫扫扫描描描描单单单单元元元元是是是是一一一一种种种种互互互互补补补补

36、结结结结构构构构，可可可可以以以以在一定程度上补偿热漂移的影响。在一定程度上补偿热漂移的影响。在一定程度上补偿热漂移的影响。在一定程度上补偿热漂移的影响。第16页/共32页第十七页，共32页。3.3.减震减震减震减震(jin(jin zhn)zhn)系统系统系统系统 由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm1nm1nm1nm，同时隧道电流与隧，同时隧道电流与隧，同时隧道电流与隧，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影道间隙成指数关系，因此任

37、何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的固有频率入手。要的。隔绝震动主要从考虑

38、外界震动的频率与仪器的固有频率入手。提高仪器的固有频率和使用震动阻尼系统：用于隔绝外界震动，如建筑提高仪器的固有频率和使用震动阻尼系统：用于隔绝外界震动，如建筑提高仪器的固有频率和使用震动阻尼系统：用于隔绝外界震动，如建筑提高仪器的固有频率和使用震动阻尼系统：用于隔绝外界震动，如建筑物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动等，其频率一般在等，其频率一般在等，其频率一般在等，其频率一般在1 1 1

39、1到到到到100Hz100Hz100Hz100Hz之间。之间。之间。之间。扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板（或大理石）和橡胶垫叠加的方扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板（或大理石）和橡胶垫叠加的方扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板（或大理石）和橡胶垫叠加的方扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板（或大理石）和橡胶垫叠加的方式式式式(fngsh)(fngsh)(fngsh)(fngsh)，用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼一，用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼一，用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼一，用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼一般是临界阻尼的

40、十分之几甚至是百分之几。般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。测量时，探测部分测量时，探测部分测量时，探测部分测量时，探测部分(探针和样品探针和样品探针和样品探针和样品)通常罩在金属罩内，金属罩的作用通常罩在金属罩内，金属罩的作用通常罩在金属罩内，金属罩的作用通常罩在金属罩内，金属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提高探测主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提高探测主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提高探测主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提

41、高探测的准确性。的准确性。的准确性。的准确性。第17页/共32页第十八页，共32页。在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫描隧在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。道显微镜仪器的减震要求。某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合诸如某些特殊情况，对仪器性能要求较高时，还可以配合诸如(zhr)磁性涡流阻尼等其它减震措施。磁性涡流阻尼等其它减震措施。第18页/共32页第十九页，共32页。4.4.4.4.电子学控制系统电子学控制系统电子学控制系统电子学控制系统(kn zh x(kn zh x(kn zh x(kn zh x tn)tn)tn)tn)扫

42、扫扫扫描描描描隧隧隧隧道道道道显显显显微微微微镜镜镜镜是是是是一一一一个个个个纳纳纳纳米米米米级级级级的的的的随随随随动动动动系系系系统统统统，因因因因此此此此，电电电电子子子子学学学学控控控控制制制制系系系系统统统统也也也也是是是是一一一一个个个个重重重重要要要要的的的的部部部部分分分分。扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧道道道道显显显显微微微微镜镜镜镜要要要要用用用用计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制步步步步进进进进电电电电机机机机的的的的驱驱驱驱动动动动，使使使使探探探探针针针针逼逼逼逼近近近近样样样样品品品品，进进进进入入入入隧隧隧隧道道道道区区区区，而而而而后后后后要要要要不不不不断断断

43、断采采采采集集集集(cij)(cij)(cij)(cij)隧隧隧隧道道道道电电电电流流流流，在在在在恒恒恒恒电电电电流流流流模模模模式式式式中中中中还还还还要要要要将将将将隧隧隧隧道道道道电电电电流流流流与与与与设设设设定定定定值值值值相相相相比比比比较较较较，再再再再通通通通过过过过反反反反馈馈馈馈系系系系统统统统控控控控制制制制探探探探针针针针的的的的进进进进与与与与退退退退，从从从从而而而而保保保保持持持持隧隧隧隧道道道道电电电电流流流流的的的的稳稳稳稳定定定定。所所所所有有有有这这这这些些些些功功功功能能能能，都都都都是是是是通通通通过过过过电电电电子子子子学学学学控控控控制制制制系系

44、系系统统统统来来来来实实实实现现现现的的的的。图图图图1 1 1 1给给给给出出出出了了了了扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧道道道道显显显显微微微微镜镜镜镜电电电电子子子子学学学学控控控控制制制制系系系系统统统统的框图。的框图。的框图。的框图。该该该该电电电电子子子子反反反反馈馈馈馈系系系系统统统统最最最最主主主主要要要要的的的的是是是是反反反反馈馈馈馈功功功功能能能能，这这这这里里里里采采采采用用用用的的的的是是是是模模模模拟拟拟拟反反反反馈馈馈馈系系系系统统统统，即即即即针针针针尖尖尖尖与与与与样样样样品品品品之之之之间间间间的的的的偏偏偏偏压压压压由由由由计计计计算算算算机机机机数数数数模模模模

45、转转转转换换换换通通通通道道道道给给给给出出出出，再再再再通通通通过过过过X X X X、Y Y Y Y、Z Z Z Z偏偏偏偏压压压压控控控控制制制制压压压压电电电电陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷三三三三个个个个方方方方向向向向的的的的伸伸伸伸缩缩缩缩，进进进进而控制针尖的扫描。而控制针尖的扫描。而控制针尖的扫描。而控制针尖的扫描。第19页/共32页第二十页，共32页。第20页/共32页第二十一页，共32页。四四.在线在线(zi xin)(zi xin)扫描控制和离线数扫描控制和离线数据处理软件据处理软件 在扫描隧道显微镜的软件控在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，起作用的主要部分制系统中，起作用的主要部分

46、为在线为在线(zi xin)(zi xin)扫描控制和扫描控制和离线数据分析离线数据分析“隧道电流隧道电流”：指：指“恒流模式恒流模式”中要保持中要保持(boch)(boch)的恒定电流，也的恒定电流，也代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。该数值设代表着恒电流扫描过程中针尖与样品表面之间的恒定距离。该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时定越大，这一恒定距离也越小。测量时“隧道电流隧道电流”一般设在一般设在“0.5-“0.5-1.0nA”1.0nA”范围内。范围内。（一）在线扫描控制（一）在线扫描控制1 1参数设置参数设置“偏置电压偏置电压”：是指加在针尖和样品之间、用于产生

47、隧道电是指加在针尖和样品之间、用于产生隧道电流的电压真实值。流的电压真实值。这一数值设定越大这一数值设定越大，针尖和样品之间越容易，针尖和样品之间越容易产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定产生隧道电流，恒电流模式中保持的恒定距离越小距离越小；“恒高扫恒高扫描模式描模式”中产生的隧道电流也越大。中产生的隧道电流也越大。“偏置电压偏置电压”值一般设定值一般设定在在“200-1000mV200-1000mV”范围左右。范围左右。第21页/共32页第二十二页，共32页。“增增增增益益益益调调调调节节节节”：反反反反馈馈馈馈回回回回路路路路的的的的增增增增益益益益调调调调节节节节，一一一一般般般般(yb

48、n)(ybn)(ybn)(ybn)设设设设置置置置在在在在50505050左右。左右。左右。左右。“Z“Z电压电压”：是指加在三维扫描控制器中：是指加在三维扫描控制器中Z Z轴压电陶瓷材料上的真实电轴压电陶瓷材料上的真实电压。压。Z Z电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一电压的初始值决定了压电陶瓷的初始状态，随着扫描的进行，这一数值要发生变化。数值要发生变化。“Z“Z电压电压”在探针远离样品时的初始值一般设定在探针远离样品时的初始值一般设定(sh(sh dn)dn)在在“-150.0mV-200.0mV”“-150.0mV-200.0mV”左右。左右。“扫描范围扫描范围”

49、：是设置探针扫描区域的大小：是设置探针扫描区域的大小(dxio)(dxio)，其调节，其调节的最大值有量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的最大值有量程决定。尺寸越小，扫描的精度也越高，改变尺寸的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。的数值可以产生扫描图象的放大与缩小的作用。“时间常数时间常数”：也是反馈回路，一般设置在上午也是反馈回路，一般设置在上午9 9点位置。点位置。这这些些参参数数的的设设置置，一一般般利利用用电电子子系系统统中中电电子子控控制制箱箱上上的的旋旋钮钮进进行行设置和调节。在线扫描软件的设置要和控制箱上的设置一致。设置和调节。在线扫描软件的设置要和控制箱上的设置

50、一致。第22页/共32页第二十三页，共32页。2.2.马达控制马达控制 软软件件控控制制马马达达使使针针尖尖逼逼近近样样品品，马马达达控控制制软软件件将将控控制制步步进进电电机机以以一一个个微微小小的的步步长长转转动动，使使针针尖尖缓缓慢慢靠靠近近样样品品，直到进入隧道区为止。直到进入隧道区为止。马马达达控控制制的的操操作作方方式式为为：“马马达达控控制制”选选择择“”“”键键，进进行行连连续续逼逼近近，当当检检测测(jin(jin c)c)到到的的隧隧道道电电流流达达到到一一定定数数值值后后，计计算算机机会会进进行行警警告告提提示示，并并自自动动停停止止逼逼近近，此此时时单单击击“”“”键键