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自制掃描隧道顯微鏡需要克服的問題

掃描隧道顯微鏡的基本原理在于量子隧穿效應(yīng)。即當(dāng)針尖靠近材料表面時，材料中的電子會克服針尖和材料之間的勢壘發(fā)生量子隧穿效應(yīng)，如果針尖后端形成回路，就可以測量到隧穿電流。隧穿電流大小與多個因素有關(guān)：針尖距離材料表面的距離、針尖上所加的偏置電壓、材料表面電子態(tài)密度大小等。假設(shè)材料表面是原子級平整的，如果保持針尖距離不變，隨著針尖在材料表面的移動，就能“感應(yīng)”到材料表面電子態(tài)密度的變化，從而推斷出原子的分布。如果保持針尖隧穿電流不變，那么就要隨時調(diào)整針尖高度，同樣針尖高度變化能夠“感應(yīng)”出材料表面的“凹凸不平”，也能給出原子的分布。同理，還可以改變偏置電壓，即在保持高度不變狀態(tài)下，改變隧穿勢壘高度，那么就能得到不同能量電子隧穿信號，從而推測材料中的電子能量譜線，又稱掃描隧道譜。

1.針尖必須足夠尖，原則上針尖上只有一個原子###好，但一般都是由幾個甚###幾十個原子，針尖的形狀要足夠尖，也就是曲率要足夠小，這樣才能具備原子分辨率；

2.控制針尖要足夠###，一般采用的是壓電陶瓷步進(jìn)電機控制針尖移動，單位移動距離可以在原子尺度量級，無論是針尖高度還是針尖平面掃描的精度，都要達(dá)到這個級別。這意味著要盡可能隔絕振動，需要很穩(wěn)定的光學(xué)平臺和多級防震裝置，有時甚###需要放置在隔聲間里面；

3.熱穩(wěn)定度要足夠好，在室溫下因為溫度高，熱效應(yīng)就強，比如針尖和設(shè)備的熱脹冷縮效應(yīng)，比如針尖在材料表面的熱漂移，這些都將直接影響測量的精度。

4.電流測量要足夠好。隧穿電流原則上是很小的，我們常用的電流表很難測清楚，需要通過放大電路把獲得的電流信號逐級放大，###終讓終端測量儀器能夠輕易分辨隧穿電流的變化。

5.材料表面要足夠平整。如果是室溫下在大氣環(huán)境放入樣品，那么樣品表面難免會有所污染，而且表面的褶皺、臺階、缺陷也是對針尖極其不利的，往往在大范圍掃描針尖時會破壞針尖，###終只能重新做實驗。

因此，要獲得分辨率高的原子像或高精度的隧道譜，一般需要原位解離樣品或者樣品是原位生長的薄膜，還需要隔絕機械振動和聲音，還需要低溫環(huán)境來隔絕熱效應(yīng)。但這并不是說常溫常壓下掃描隧道顯微鏡就不能工作，實際上很多實驗室的演示用STM就是在室溫下操作的。

首頁 > 電工基礎(chǔ) > 日期：2022-6-25 來源：Internet 作者：yq 瀏覽量：