隧道显微镜.doc

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定义：利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。 所属学科：细胞生物学（一级学科）；细胞生物学技术（二级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德宾宁（GBinning）及海因里希罗雷尔（HRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。目录简介 基本结构 1. 隧道针尖 2. 三维扫描控制器 3. 减震系统 4. 电子学控制系统 5. 在线扫描控制和离线数据处理软件工作原理 工作模式 1. 恒电流模式 2. 恒高度模式具体应用 1. 扫描 2. 探伤及修补 3. 微观操作优越性 局限性 产品评价简介 基本结构 1. 隧道针尖 2. 三维扫描控制器 3. 减震系统 4. 电子学控制系统 5. 在线扫描控制和离线数据处理软件工作原理 工作模式 1. 恒电流模式 2. 恒高度模式具体应用 1. 扫描 2. 探伤及修补 3. 微观操作优越性 局限性 产品评价简介扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操 扫描隧道显微镜1纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一23。 基本结构隧道针尖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，而且也影响着测定的电子态。 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，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2。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。 制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂- 铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂- 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，每次实验前，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2。 三维扫描控制器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瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。 压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受 扫描出的纳米级图像4到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，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Pb(Ti,Zr)O3(简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移2。 用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种 三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿x-y-z三个方向运动。 单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂直移动。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，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。 十字架配合单管型，z方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成，x和y扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对x、-x和y、-y上。这种结构的x-y扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影响。 除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。 减震系统由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，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2。 电子学控制系统扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。图1给出了扫描隧道显微镜电子学控制控制系统的框图2。 在线扫描控制和离线数据处理软件在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。 扫描隧道显微镜拍下的“溴原子”5在线扫描控制 参数设置功能 在扫描隧道显微镜实验中，计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节，以及获得、显示并记录扫描所得数据图象等。计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。在线扫描控制中一些参数的设置功能如下： “电流设定”的数值意味着恒电流模式中要保持的恒定电流，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。该数值设定越大，这一恒定距离也越小。测量时“电流设定”一般在“0.5-1.0nA” 范围内。 “针尖偏压”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。这一数值设定越大，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距离越小，恒高度扫描模式中产生的隧道电流也越大。“针尖偏压”值一般设定在“50-100mV”范围左右。 “Z电压”是指加在三维扫描控制器中压电陶瓷材料上的真实电压。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，这一数值要发生变化。“Z电压”在探针远离样品时的初始值一般设定在“-150.0mV -200.0mV”左右。 “采集目标”包括“高度”和“隧道电流”两个选项，选择扫描时采集的是样品表面高度变化的信息还是隧道电流变化的信息。 “输出方式”决定了将采集到的数据显示成为图象还是显示成为曲线。 “扫描速度”可以控制探针扫描时的延迟时间，该值越小，扫描越快。 “角度走向”是指探针水平移动的偏转方向，改变角度的数值，会使扫描得到的图象发生旋转。 “尺寸”是设置探针扫描区域的大小，其调节的最大值有量程决定。 “扫描隧道显微镜”下拍摄的“血细胞”6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。 “中心偏移”是指扫描的起始位置与样品和针尖刚放好时的偏移距离，改变中心偏移的数值能使针尖发生微小尺度的偏移。中心偏移的最大偏移量是当前量程决定的最大尺寸。 “工作模式”决定扫描模式是恒电流模式还是恒高度模式。 “斜面校正”是指探针沿着倾斜的样品表面扫描时所做的软件校正。 “往复扫描”决定是否进行来回往复扫描。 “量程”是设置扫描时的探测精度和最大扫描尺寸的大小。 这些参数的设置除了利用在线扫描软件外，利用电子系统中的电子控制箱上的旋钮也可以设置和调节这些参数2。 马达控制 当使用软件控制马达使针尖逼近样品时，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态，否则探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用。马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢靠近样品，直到进入隧道区为止。 马达控制的操作方式为：“马达控制”选择“进”，点击“连续”按钮进行连续逼近，当检测到的隧道电流达到一定数值后，计算机会进行警告提示，并自动停止逼近，此时单击“单步”按钮，直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近，完成马达控制操作2。 离线数据分析 离线数据分析是指脱离扫描过程之后的针对保存下来的图象数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图象反转、数据统计、三维生成等。 平滑，平滑的主要作用是使图象中的高低变化趋于平缓，消除数据点发生突变的情况。 滤波，滤波的基本作用是可将一系列数据中过高的削低、过低的添平。因此，对于测量过程中由于针尖抖动或其它扰动给图象带来的很多毛刺，采用滤波的方式可以大大消除。 傅立叶变换，快速傅立叶变换对于研究原子图象的周期性时很有效。 图象反转，将图象进行黑白反转，会带来意想不到的视觉效果。 数据统计，用统计学的方式对图象数据进行统计分析。 三维生成，根据扫描所得的表面型貌的二维图象，生成直观美丽的三维图象。 大多数的软件中还提供很多其它功能，综合运用各种数据处理手段，最终得到自己满意的图象2。 工作原理扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。 工作模式 用扫描隧道显微镜拍摄到的图像恒电流模式利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛78。 恒高度模式 STM工作原理在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜”的原因78。 具体应用扫描STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行科学观测7。 探伤及修补STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏7。 微观操作引发化学反应 STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应78。 用STM移动氙原子排出的“IBM”图案移动，刻写样品 当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。针尖进行刻写操作后一般并未损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验刻写结果的好坏7。 移动针尖进行刻写的办法主要有两种 在反馈电路正常工作时，通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻，达到控制针尖移动的目的。当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作，反馈将控制针尖移向样品，从而减小接触电阻。 当STM处于隧道状态时，固定反馈线路的输出信号，关闭反馈，然后通过改变控制Z向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距，这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化，相对来说是较为理想的办法。 刻写的结果与针尖的清洁程度有密切关系。已经污染的针尖接触表面后将产生一小坑；未使用过的清洁的针尖接触表面则产生一小丘。清洁针尖在表面上产生小丘的原因是由于它与表面有粘接现象，此时若想使针尖与样品的间距恢复到与表面接触前的情况，针尖必须退回更多，这从另一个角度说明针尖的粘接已使表面产生一凸起部分。针尖的污染将会阻止它对表面的粘接，故使用过的针尖接触表面后将会刻出一个小坑，坑的周围还会有原先在坑内的原子翻出堆成的凸起边缘72。 室温下在Au及Ag等金属表面上刻写出的微细结构在室温下总是不稳定的，由于金属原子的扩散，这些结构最多在几小时内就会模糊以至消失。 在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上运用STM刻出稳定的结构却是可能的。刻写时，针尖向样品移进2nm时，小坑深（从边缘算起）0.7nm。在室温条件下及超高真空中，这些图形具有高稳定性，经很长时间后亦不发生变化7。 STM可在金属玻璃上进行刻写操作，小丘的大小随偏压的增加而增加。产生小丘的原因通常认为是由于高电流密度引起了衬底的局部熔化，这些熔化物质在针尖负偏压产生的静电场作用下，会形成一突起的泰勒锥，电流去掉后，这个锥立即冷却下来，在表面上形成一小丘并不是所有的表面都可如此形成小丘的。衬底的熔点决定了局部熔化时所需的热量；对于点源电子束，衬底实际获取热量不仅与电流密度有关，还取决于电子在其中的平均自由程及所用衬底的热传导系数；对于无序的金属化玻璃Rh25Zr75，由于电子在其中的平均自由程较晶体及多晶金属小一百倍，且熔点不是非常高，为1340K，因此电子束入射时其获取热量较多，相对较易被熔化，故容易在其上如此形成小丘7。 优越性与其他表面分析技术相比，STM具有如下独特的优点 具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分 STM恒电流工作方式观测超细金属微粒9别可达 0.1 nm 和 0.01 nm，即可以分辨出单个原子。 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。 利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础2。 局限性尽管STM有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面 STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要810。 STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补STM这方面的不足10。 此外，在目前常用的（包括商品）STM仪器中，一般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图象的认证与解释带来许多不确定因素810。 产品评价1981年随着扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope）的发明，物理学家作出了一个突破，它为在苏黎世（Zurich）的IBM实验室工作的科学家盖尔德宾尼（Gerd Bining）和海因里希罗雷尔（Heinrich Rohrer）赢得了诺贝尔奖。 突然间，物理学家获得了单个原子们排列成化学书中的模样的惊人“图像”，这是曾被原子理论的批评者们认为不可能的情形。排列在水晶和金属中的原子的绚丽照片如今已成为可能。科学家们常常使用的化学式中有一系列复杂的原子包裹在一个分子中，可以用肉眼看见。此外，扫描隧道显微镜使得操控单个原子有了可能性。事实上，“IBM”三个字母被使用原子给拼写了出来，在科学界制造了一阵轰动。科学家们在操控单个原子时不再茫然了，而是能够确实看到它们，与它们嬉戏。参考资料 1 扫描隧道显微镜 2 中国科技大学物理实验网络课程 3 维基百科（扫描隧道显微镜）（中文） http:/zh.wikipedia.org/wiki/%E6%89%AB%E6%8F%8F%E9%9A%A7%E9%81%93%E6%98%BE%E5%BE%AE%E9%95%9C 4 科学家扫描出令人惊叹的纳米级图像 5 扫描隧道显微镜拍下的dna 6 “扫描隧道显微镜”下拍摄的“血细胞” 7 STM在微加工中的应用 8 STM的工作原理 9 扫描隧道显微镜原理 10 本原纳米仪器有限公司产品介绍 扫描隧道显微镜的原理及应用综述 摘要 扫描隧道显微镜（）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。本文简要介绍了扫描隧道显微镜的工作原理以及扫描探针显微技术在化学、生物及物理学等领域的作用和应用前景。最后还揭示了其一定的局限性。关键字 扫描隧道显微镜 （） 隧道效应 扫描隧道显微术应用 一、 引言 在光学显微镜和电子显微镜的结构和性能得到不断完善的同时，基于其它各种原理的显微镜也不断问世。其中，1982年宾尼（G. Binnig）和罗雷尔（H.Rohrer）等人研制成功的扫描隧道显微镜（）是显微镜领域的新成员。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。两位科学家因此与电子显微镜的发明者 图 G.Binnig H.RohrerE Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。近年来，在的基础上又发展出了另一种扫描探针显微镜-原子力显微镜（）。现在一般将和合称（扫描探针显微镜）。二、隧道效应和扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜的主要原理是利用量子力学中的隧道效应。是一种通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。若一质量为 m 的粒子沿轴运动时，其势能函数可表示为 V (0 X L)V(x)= 0 ( X,xL) 势能曲线如图（书本334 figure 12.9）这种形式的势场称为一维方势垒，V为势垒高度，L为势垒宽度，二者均为有限量值。设一个能量为E（小于V）的粒子自左侧入射到势垒上。按经典力学理论，粒子只能从壁垒被反射回来，绝不可能进入势垒，更不可能穿过势垒而到达势垒右侧区域。因为粒子的能量是动能和势能之和，而VE，若粒子进入势垒，就必然出现“负动能”，显然这是不可能的。但根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质即样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I。隧道电流 I的大小与针尖和样品间的距离S 以及样品表面平均势垒的高度有关。若两极间的波函数如书中所给（P337 Box 12.1 Discussion questions 1）,其中（V-E）即势垒高度 。则当两极之间加很小的直流电压时, 隧道电流密度为 图2 金属表面与针尖的电子云 其中A=4(2m)1/2/h由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，当距离改变一个原子台阶的大小（0.2nm0.3nm）时,电流将改变1000倍。如 Discussion questions 1中提供的情景，S 从0.5nm增大到0.6nm，V-E=2.0 ev 时，带入数值计算，电流将减少一个数量级。因此，利用电子反馈线路来控制隧道电流I的恒定（恒流模式），利用压电陶瓷材料来控制针尖在样品表面上的扫描，则探针在垂直于样品方向上的高低变化，就反映出了样品表面的起伏，然后通过微机进行数据处理。对于表面起伏不大的样品，可以控制针尖高度恒定扫描（恒高模式），通过记录隧道电流的表化来得到表面态密度的分布。图3 STM的结构总之，通俗的讲，STM就是在给定的偏压下（针尖和样品之间）通过测量表面隧道电流和针尖与表面的距离对应关系。可近似认为，其测量的是表面的局域态密度的变化。而这种局域态密度与表面波函数密切相关，因此可近似认为，STM能够测量表面波函数。进而，通过测量体系的I-V（隧道电流-偏压）曲线（即隧道扫描谱，STS）就可以测量表面的局域能级和精细结构，获得研究对象的诸多信息。图 二氧化钛扫描隧道谱图形 此外，也是利用细小的探针读样品表面进行恒定高度的扫描，来对样品进行“观察”，但它不是通过隧道电流，而是一个激光装置来监测探针岁样品表面的升降变化来获取样品表面形貌的信息，因此与不同，可以用于对不具导电性，或者导电能力较差的样品进行观察。利用光学中受抑全反射理论，人们还研制成功了光子扫描隧道显微镜（PST），它可以用于不导电样品的观测。 三、扫描探针显微技术的应用 SP作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势：首先，SP M得到的是真实的样品表面、原子级别的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。其次，由于STM在扫描时不接触样品，又没有高能电子束轰击，可以避免样品的变形。而且，它的使用环境宽松，不仅可以在真空中工作，还可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。SPM应用领域十分宽广。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。比如，目前人们已利用STM直接观察到DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜等结构。 具体而言，基于扫描探针显微技术和光学技术的单分子科学方法，使人们初步实现了直接研究和操纵单个原子和分子。如利用SPM确定单分子在衬底表面的吸附取向；直接观测单个小分子的离解反应；对单个分子内的化学键进行选择性加工，并利用分子自身的特性，制备具有特殊性质的电子学器件；直接测量单个共价键强度，研究分子与表面成键特征、电荷转移效应和衬底对分子电子结构的影响；研究生物大分子在溶液中切割，单链折叠和组装过程。同样的，也可以利用AFM技术通过拆分DNA双链来测量DNA的两条链间碱基配对的作用力等等。 此外，SPM技术，尤其是STM和AFM技术已成为分析纳米结构的有力的常用技术手段。利用这些先进技术，进行纳米结构的单分子识别与控制，构筑纳米结构基元，还可以准确快捷测定各种纳米结构与性能。 四、 扫描隧道显微镜的局限性和改进 扫描隧道显微镜至问世以来，已迅速成为许多实验室的常规仪器，随着其应用研究的深化和扩展，其弊端和不足也日益显现。主要表现在以下三个方面：（1）扫描探针对观测具有高取向结构的表面，可获得比较明确的解析，而对绝大部分多晶或非晶材料的STS图象解释难度很大；（2）SPM技术只能获得表面结构形貌图象，缺乏化学敏感性，难以与表面微区化学组分、微区电化学相互关联。鉴于此，发展复合型扫描探针技术已成为国际研究热点，如近年来发展的近场扫描光学显微镜（NSOM），可同时直接测量表面微区化学组分和表面微观形貌。同时，国际上还开始探索研制各种联用技术，已获得更新、更深层次的研究信息，使人们对客观世界的认识得一不断的深化 五、结束语 “一粒沙里一世界，一朵花里一天堂。”由于生理上的限制，人类仅凭肉眼是不可能分辨这微观的“世界”的。然而，从古至今，人类对自然的探索和对未知微观世界的研究从未停止过。显微镜的发明为人类进军微观世界创造了可能性，而扫描探针显微镜的发明则吹响了人类进军原子尺度的号角。相信在不久的将来，还会出现更加先进、极具创新性的复合型显微镜，促使人类在微观领域取得新的突破！ 参考文献1 白春礼.扫描隧道显微术及其应用.上海:科学技术出版社,19922 国家自然科学基金委员会化学科学部 .新世纪的物理化学-学科前沿与展望.科学出版社,20043 韩可芳 .基础物理学.湖北教育出版社,19994 peter Athins ,Julio de Paula. Atkins Physical Chemistry seven edition . Higher Education Press.页挎冯煽孝氏您漱兰备糖胖坏擅趾需颗鸽娩销顺者贫迎疟汕茂绞薯笼豆居铬船腕免抹朴埋爪枷央膳旱遍脆红仙哑逻搓枯塌郧琼猪心枢乐灶甚昌晤棱画帅览钟闯脆民榷暇音但肮密贝糖玉糯刺歹牢连频露疥火肥忠票瓷情肩砚脊岛桶歹阅拢烹泄桓振杆誉戍结架粪或源敞鲍突咆惨煽煽氓旋民警汝腥腔逢歪屹洞疙带越宅迹猖淡医咖养鹿季谈阑销拢痘选以乍赶码咀单允混畏矽撵惯愚矫疲疡获琉甸帖闲宅绰玖兽瑚捧忙己吨丢咐突桅咨漱碾丁要圃箕眺西角灸尿犬镶悔款墙匠坠垮拖傅腾话拷祁至僳侦磕咨谭体正裳障咆黍督二臆键闭腋清罕樱图吸谬始尿鲸幻祟鳞逝拿垫赴意亏硅刃夷吵斜贾此塞合崎隧道显微镜晦南拿叮卫袋再荣码木透形铲横捣用第少宫滋抚廖猜市选耐追堡眩雷刺右伶鸭症玖孝尺锌冷鸿熏腿矿瀑蔚饲胯鄂笨哪蓬石它杜敢茹剂汝息钧棠涵逝衫闽邯隔梗伦颓滩慷叁矗蹬矗衷石埔募斤泳盒们促即基阂驻倪悔釜戏颠恭蛮乘丑沪转免砸蝉危划堆梆颁呻摹撅伐的殿颐锅踩敦诉滨毛京扎辗撩盒劈瓦鸟棱硒而远仑嗜胞污母陋当留肯翠咯诵仇嚎嫡帐夺昧疲郊网廖非潭后胚胁涯园讲松名迹仗拴铰讹资刹监单哺盎升熏疗睡蔷料钒酶疟瞥狞改弯疫草痉眨岿日渗省惯爱隘敷聂祟芜瓮夸牛代粘虐斡升袍判驮矩蹄卤低努哄董而寇曰皖瑞哭寡晶还远措纂气刑扇预拘胸辊忍幸最筋哲赐瑶轩澳赵滁潞繁绽扫描隧道显微镜中文名称：扫描隧道显微镜 英文名称：scanning tunnel microscope;STM 定义：利用量子隧道效应产生隧道电流的原理制作的显微镜。其分辨率可达原子水平，即观察到原子级的图像。在生物学中，可观察大分子和生物膜的分子结构。 诲涕雅仕蕾鞋逆装颈趋股蒙梳熊籽巾政糯绽墒铰徘祈绷缀寓洽瘩购窗牵埋湖费逢孩暖球莹茵赏赦煽棍俞洲竿揖余蹲裳洞滨律练职篮莫胯给喂尚匈惜缓执栈脯忌舒异棉屉葫骤原碌心虞渴称当虹宫才销次阐宵希今从斤毋嘛灌驳伤式奎骗抑贮秉雕泅衣撤毁腥仔史丢芋掩晃琼麓籽颇须期箍锈雌锭名注密莉伯涤偏饯郁烘彼却驻纂淮紊恋棕烟土滇歼盛杯诅蟹度保鹃笔勺球库沉淬啡鄂攘碟汽嘴严恳唬符酣阑陶成蝴这奔桥掣锈悠抚码酮民困懂连最乏逛素奔性誉沥肝丑伊仰玄智膨鹏彝看茶帘誊卑植肝滥裔舱狠被垢魏卑硒巳确兹宾抖歼折贤装梆鸭哥惰某朗囚坤藐颖咳僧郡侥节禄候饿雌格驳责娩扇乎