掃描隧道顯微鏡利用量子力學(xué)里的隧道效應(yīng)，探針與樣品不接觸，它們之間有一個(gè)勢(shì)壘，因?yàn)橛兴淼佬?yīng)，電子有一定幾率穿過(guò)勢(shì)壘形成電流。探針與樣品之間的距離遠(yuǎn)，勢(shì)壘就大，隧道電流就小，電流的大小轉(zhuǎn)化為空間尺度，利用電腦分析就可以得到樣品表面的圖像。掃描探針一般采用直徑小于1nm的細(xì)金屬絲，被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性方可產(chǎn)生隧道電流。為了達(dá)到原子級(jí)分辨率必須保證針尖在樣品表面掃描時(shí)，具有很高的精度和相對(duì)穩(wěn)定性，外界振動(dòng)和電子噪音的隔絕。掃描隧道顯微鏡本身的共振頻率、熱漂移、用作掃描控制器件的壓電陶瓷材料的滯后和蠕變技術(shù)距的表達(dá)和處理。
根據(jù)量子力學(xué)原理，在原子 、亞原子尺度下 粒子存在 波動(dòng)性和不確定性，被束縛在勢(shì)阱中的粒子有可能越過(guò)比自身能量高的勢(shì)壘，這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。金屬中的自由電子就是被束縛在勢(shì)阱中的粒子，在外界不提供能量或提供的能量不足以使電子能量超過(guò)材料的功函數(shù) ( 逸出功 ) 時(shí)仍有少量電子逸出，在金屬表面附近形成約為1 nm厚的電子云，這就給掃描隧道顯微鏡的隧道電流提供了基本條件。當(dāng)樣品表面和探針針尖的距離小于1nm時(shí)，兩者的電子云就會(huì)有重疊.此時(shí)若在探針和樣品之間加上一定的電壓，就會(huì)形成隧道電流.隧道電流的強(qiáng)度與針尖和樣品之間的距離以及樣品表面的勢(shì)壘高度有關(guān)。當(dāng)在針尖和樣品之間加上偏置電壓時(shí)，電子可以“隧穿”過(guò)間隙而形成隧道電流，隧道電流放大器將微弱的電流信號(hào)放大并輸送到反饋電路中，反饋電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為STM的圖像信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)在屏幕上顯示出來(lái)，同時(shí)依據(jù)隧道電流的大小而控制壓電掃描器的運(yùn)動(dòng)。
掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)使人類(lèi)能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著廣闊的應(yīng)用前景。
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