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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(shí)，材料中的電子會(huì)克服針尖和材料之間的勢(shì)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(cè)量到隧穿電流。隧穿電流大小與多個(gè)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(jí)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(dòng)，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(shí)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(shì)壘高度，那么就能得到不同能量電子隧穿信號(hào)，從而推測(cè)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(gè)原子###好，但一般都是由幾個(gè)甚###幾十個(gè)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(jī)控制針尖移動(dòng)，單位移動(dòng)距離可以在原子尺度量級(jí)，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(gè)級(jí)別。這意味著要盡可能隔絕振動(dòng)，需要很穩(wěn)定的光學(xué)平臺(tái)和多級(jí)防震裝置，有時(shí)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?yàn)闇囟雀�，熱效�?yīng)就強(qiáng)，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(cè)量的精度。

4.電流測(cè)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(cè)清楚，需要通過放大電路把獲得的電流信號(hào)逐級(jí)放大，###終讓終端測(cè)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(huì)有所污染，而且表面的褶皺、臺(tái)階、缺陷也是對(duì)針尖極其不利的，往往在大范圍掃描針尖時(shí)會(huì)破壞針尖，###終只能重新做實(shí)驗(yàn)。

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(zhǎng)的薄膜，還需要隔絕機(jī)械振動(dòng)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(shí)際上很多實(shí)驗(yàn)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：