掃描隧道顯微鏡的基本原理

掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時(通常小于1nm)，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應。隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān).[4]。
　　隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個數(shù)量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。
　　將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象[5]。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z向驅(qū)動器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品[6]。
　　是利用SPM進行納米加工的客觀依據(jù)。同時也說明，SPM不是簡單用來成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進行加工和操作的工具。
　　5教學課程安排
　　1)周：原理簡介與上機模擬。課后著手資料定向查詢并準備實驗報告。
　　2)第二周：演示與學生實驗。先用鐵絲作探針練習，熟練后再用鉑銥合金絲制作針。指定樣品(光柵)的測量。
　　3)第三周：改變電壓及掃描角度重新掃描，進行圖像處理。課后資料定向查詢并完成實驗報告。報告內(nèi)容:心得、體會及建議，STM在某個領(lǐng)域的應用或STM儀器的某部件的原理。
　　4)第四周：宣講實驗報告，每人15分鐘(包括5分鐘提問)。
　　6圖像處理
　　1)平滑處理：將像素與周邊像素做加權(quán)平均。
　　2)斜面校正：選擇斜面的一個頂點，以該頂點為基點，現(xiàn)行增加該圖像的所有像數(shù)值，可多次操作。
　　3)中值濾波：傅立葉變換。對圖像的周期性很敏感，在做原子圖像掃描時很有用.