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掃描隧道顯微鏡 （英語： Scanning Tunneling Microscope ，縮寫為 STM ），是一種利用 量子穿隧效應 探測物質表面結構的儀器。 它於1981年由 格爾德·賓寧 及 海因里希·羅雷爾 在 IBM 位於 瑞士 蘇黎世 的蘇黎世實驗室發明，兩位發明者因此與電子顯微鏡的發明者 恩斯特·魯斯卡 分享了1986年 諾貝爾物理學獎 。 掃描隧道顯微鏡技術是 掃描探針顯微術 的一種，基於對探針和表面之間的穿隧電流大小的探測，可以觀察表面上單 原子 級別的起伏。 此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下可以利用探針尖端精確操縱單個分子或原子，因此它不僅是重要的微納尺度測量工具，又是頗具潛力的微納加工工具。 概述 [ 編輯] 掃描穿隧顯微鏡是一種利用 量子穿隧效應 的非光學顯微鏡。
- 概觀
- 基本介紹
- 簡介
- 工作原理
- 工作模式
- 具體套用
- 產品分析
- 產品評價
- 工作原理結論
STM（掃描隧道顯微鏡）一般指本詞條
掃描隧道顯微鏡 Scanning Tunneling Microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的解析度。
隧道針尖
隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的解析度和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態。 針尖的巨觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯後，提高採集速度。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高於隧道間隙的阻值，從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前，二者就發生碰撞。 製備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑- 銥合金絲等。鎢針尖的製備常用電化學腐蝕法。而鉑- 銥合金針尖則多用機械成型法，一般 直接用剪刀剪下 而成。不論哪一種針尖，其表面往往覆蓋著一層氧化層，或吸附一定的雜質，這經常是造成隧道電流不穩、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此，每次實驗前，都要對針尖進行處理，一般用化學法清洗，去除表面的氧化層及雜質，保證針尖具有良好的導電性。
三維掃描控制器
由於儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難達到這一要求的。 壓電陶瓷利用了壓電現象。所謂的壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電場，或給晶體加一電場時晶體會產生物理形變的現象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質，但廣泛被採用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。 用壓電陶瓷材料製成的三維掃描控制器主要有以下幾種 ①三腳架型，由三根獨立的長稜柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個方向運動。 ②單管型，陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份，內壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會伸展或收縮(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定)，導致陶瓷管向垂直於管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側膨脹，相對的另一側收縮，增加掃描範圍，亦可以加上直流偏置電壓，用於調節掃描區域。 ③十字架配合單管型，z方向的運動由處在“十”字型中心的一個壓電陶瓷管完成，x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結構的x-y掃描單元是一種互補結構，可以在一定程度上補償熱漂移的影響。 除了使用壓電陶瓷，還有一些三維掃描控制器使用螺桿、簧片、電機等進行機械調控。
減震系統
由於儀器工作時針尖與樣品的間距一般小於1nm，同時隧道電流與隧道間隙成指數關係，因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和衝擊，其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。
掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成）。一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面。當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細緻地探出它的輪廓。在許多的流通後，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個格線結構的單個原子的美麗圖片。
恆電流模式
利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恆定。再通過計算機系統控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由於要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高，套用廣泛。
恆高度模式
在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；於是針尖與樣品表面的局域距離將發生變化，隧道電流I的大小也隨著發生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，並轉換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用於樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同一種原子組成)的情形。 從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名“掃描隧道顯微鏡”的原因。
掃描
STM工作時，探針將充分接近樣品產生一高度空間限制的電子束，因此在成像工作時，STM具有極高的空間解析度，可以進行科學觀測。
探傷及修補
STM在對表面進行加工處理的過程中可實時對表面形貌進行成像，用來發現表面各種結構上的缺陷和損傷，並用表面澱積和刻蝕等方法建立或切斷連線，以消除缺陷，達到修補的目的，然後還可用STM進行成像以檢查修補結果的好壞。
微觀操作
引發化學反應 STM在場發射模式時，針尖與樣品仍相當接近，此時用不很高的外加電壓（最低可到10V左右）就可產生足夠高的電場，電子在其作用下將穿越針尖的勢壘向空間發射。這些電子具有一定的束流和能量，由於它們在空間運動的距離極小，至樣品處來不及發散，故束徑很小，一般為毫微米量級，所以可能在毫微米尺度上引起化學鍵斷裂，發生化學反應。 移動，刻寫樣品 當STM在恆流狀態下工作時，突然縮短針尖與樣品的間距或在針尖與樣品的偏置電壓上加一脈衝，針尖下樣品表面微區中將會出現毫微米級的坑、丘等結構上的變化。針尖進行刻寫操作後一般並未損壞，仍可用它對表面原子進行成像，以實時檢驗刻寫結果的好壞。 移動針尖進行刻寫的辦法主要有兩種 ①在反饋電路正常工作時，通過調節參考電流或偏置電壓的大小來調節針尖與樣品間的接觸電阻，達到控制針尖移動的目的。當加大參考電流或減小偏壓時為保證恆流工作，反饋將控制針尖移向樣品，從而減小接觸電阻。 ②當STM處於隧道狀態時，固定反饋線路的輸出信號，關閉反饋，然後通過改變控制Z向運動的壓電陶瓷上所加電壓的大小來改變針尖與樣品的間距，這種方法較前者能夠更線性地控制隧道結寬度的變化，相對來說是較為理想的辦法。 刻寫的結果與針尖的清潔程度有密切關係。已經污染的針尖接觸表面後將產生一小坑；未使用過的清潔的針尖接觸表面則產生一小丘。清潔針尖在表面上產生小丘的原因是由於它與表面有粘接現象，此時若想使針尖與樣品的間距恢復到與表面接觸前的情況，針尖必須退回更多，這從另一個角度說明針尖的粘接已使表面產生一凸起部分。針尖的污染將會阻止它對表面的粘接，故使用過的針尖接觸表面後將會刻出一個小坑，坑的周圍還會有原先在坑內的原子翻出堆成的凸起邊緣。 室溫下在Au及Ag等金屬表面上刻寫出的微細結構在室溫下總是不穩定的，由於金屬原子的擴散，這些結構最多在幾小時內就會模糊以至消失。 在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上運用STM刻出穩定的結構卻是可能的。刻寫時，針尖向樣品移進2nm時，小坑深（從邊緣算起）0.7nm。在室溫條件下及超高真空中，這些圖形具有高穩定性，經很長時間後亦不發生變化。 STM可在金屬玻璃上進行刻寫操作，小丘的大小隨偏壓的增加而增加。產生小丘的原因通常認為是由於高電流密度引起了襯底的局部熔化，這些熔化物質在針尖負偏壓產生的靜電場作用下，會形成一突起的泰勒錐，電流去掉後，這個錐立即冷卻下來，在表面上形成一小丘……並不是所有的表面都可如此形成小丘的。襯底的熔點決定了局部熔化時所需的熱量；對於點源電子束，襯底實際獲取熱量不僅與電流密度有關，還取決於電子在其中的平均自由程及所用襯底的熱傳導係數；對於無序的金屬化玻璃Rh25Zr75，由於電子在其中的平均自由程較晶體及多晶金屬小一百倍，且熔點不是非常高，為1340K，因此電子束入射時其獲取熱量較多，相對較易被熔化，故容易在其上如此形成小丘。
優越性
與其他表面分析技術相比，STM具有如下獨特的優點 ①具有原子級高解析度，STM 在平行於樣品表面方向上的解析度分別可達0.1埃，即可以分辨出單個原子。 ②可實時得到實空間中樣品表面的三維圖像，可用於具有周期性或不具備周期性的表面結構的研究，這種可實時觀察的性能可用於表面擴散等動態過程的研究。 ③可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是對體相或整個表面的平均性質，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等。 ④可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術並且探測過程對樣品無損傷．這些特點特別適用於研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對於多相催化機理、超一身地創、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。 ⑤ 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。 ⑥利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發展奠定了基礎。
局限性
儘管STM有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優點，但由於儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現在以下兩個方面 ①STM的恆電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關的解析度較差。在恆高度工作方式下，從原理上這種局限性會有所改善。但只有採用非常尖銳的探針，其針尖半徑應遠小於粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細金屬微粒擴散時，這一點顯得尤為重要。 ②STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對於半導體，觀測的效果就差於導體；對於絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由於導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的解析度。賓尼等人1986年研製成功的AFM可以彌補STM這方面的不足。 此外，在目前常用的（包括商品）STM儀器中，一般都沒有配備FIM，因而針尖形狀的不確定性往往會對儀器的解析度和圖象的認證與解釋帶來許多不確定因素。
1981年隨著掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope）的發明，物理學家作出了一個突破，它為在蘇黎世（Zurich）的IBM實驗室工作的科學家蓋爾德·賓尼（Gerd Bining）和海因里希·羅雷爾（Heinrich Rohrer）贏得了諾貝爾獎。
突然間，物理學家獲得了單個原子們排列成化學書中的模樣的驚人“圖像”，這是曾被原子理論的批評者們認為不可能的情形。排列在水晶和金屬中的原子的絢麗照片如今已成為可能。科學家們常常使用的化學式中有一系列複雜的原子包裹在一個分子中，可以用肉眼看見。此外，掃描隧道顯微鏡使得操控單個原子有了可能性。事實上，“IBM”三個字母被使用原子給拼寫了出來，在科學界製造了一陣轟動。科學家們在操控單個原子時不再茫然了，而是能夠確實看到它們，與它們嬉戲。
在掃描隧道顯微鏡(STM)觀測樣品表面的過程中，掃描探針的結構所起的作用是很重要的。如針尖的曲率半徑是影響橫向解析度的關鍵因素；針尖的尺寸、形狀及化學同一性不僅影響到STM圖象的解析度，而且還關係到電子結構的測量。因此，精確地觀測描述針尖的幾何形狀與電子特性對於實驗質量的評估有重要的參考價值。 掃描隧道顯微鏡(STM)的研究者們曾採用了一些其它技術手段來觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖的微觀形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亞微米級的形貌信息，顯然對於原子級的微觀結構觀察是遠遠不夠的。雖然用高分辨TEM可以得到原子級的樣品圖象，但用於觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖則較為困難，而且它的原子級解析度也只是勉強可以達到。只有FIM能在原子級解析度下觀察掃描隧道顯微鏡(ST...
扫描隧道显微鏡 （英語： Scanning Tunneling Microscope ，缩写为 STM ），是一种利用 量子隧穿效应 探测物质表面结构的仪器。 它于1981年由 格尔德·宾宁 及 海因里希·罗雷尔 在 IBM 位于 瑞士 苏黎世 的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与电子显微鏡的发明者 恩斯特·鲁斯卡 分享了1986年 诺贝尔物理学奖 。 扫描隧道显微鏡技术是 扫描探针显微术 的一种，基于对探针和表面之间的隧穿电流大小的探测，可以观察表面上单 原子 级别的起伏。 此外，扫描隧道显微鏡在低温下可以利用探针尖端精确操纵单个分子或原子，因此它不仅是重要的微纳尺度测量工具，又是颇具潜力的微纳加工工具。 概述. 扫描隧道显微镜是一种利用 量子隧穿效应 的非光学显微镜。 基本结构.
2017年6月2日 · 量子穿隧效應也應用於快閃記憶體等當代重要的科技，更被應用於精密觀察物體表面奈米結構的「掃描穿隧顯微鏡 (scanning tunneling microscope, STM)」。 STM 具有原子尺寸的解析度，可以用來觀測物體表面的原子排列、結構及動態行為等。 STM 利用一個微小的探針，在探針與待測物之間加上一個電壓差 (偏壓, bias)，當探針與待測物接近到大約 10 Å 的距離，穿隧效應會讓電子從探針穿隧到待測物上，而產生穿隧電流 (tunneling current)。 當探針開始在待測物表面水平移動時，由於待測物表面有不同的高低起伏，會改變待測物與探針之間的距離，而影響電子可以穿隧的機率，進而反映出不同大小的穿隧電流。 藉由量測穿隧電流的強弱，可以反推得到待測物表面的高低變化。
介紹STM的原理之前，我們必需先知道什麼是「穿隧效應」（tunneling effect）。 電子穿隧現象乃量子物理的重要內涵之一；在古典力學中，一個處於位能較低的粒子根本不可能躍過能量障礙到達另一邊（如圖1A），除非粒子的動能超過V0。 但以量子物理的觀點來看，卻有此可能性。 所謂的「穿隧效應」就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙。 當然，穿隧的機率和距離有關；距離愈近，穿隧的機率愈大。 當兩個電極相距在幾個原子大小的範圍時，電子已能從一極穿隧到另一極。 穿隧的機率是和兩極的間距成指數反比的關係。 對一般金屬而言（功函數約4-5eV），1埃的間距差可導致穿隧電流10倍的增減（如圖1B）。 所以，藉偵測穿隧電流，可很容易地得知兩電極間距的變化達0.1埃的程度。
簡稱. 掃描式穿隧電子顯微鏡 (STM) 英文名稱. Scanning Tunneling Microscopy. 功能說明. STM 為一常用於研究材料表面的工具。. 其施加一電位差於樣品與探針之間，利用穿隧效應所產生的電流，來獲得樣品表面形貌。. 其所構成之二維圖像最高解析度可以至原子尺度，是 ...
2011年3月29日 · 掃描穿隧式顯微鏡（STM）為何可以利用探針與樣品間的距離來顯示樣品表面影像，已在本討論區的文章–『掃描穿隧式顯微鏡原理』中說明，在此將對實際儀器架構的內容加以解說。 掃描穿隧式顯微鏡架構的示意圖如下。 （圖片來源：維基百科） 掃描穿隧式顯微鏡的組成部分可細分成以下幾個部分： 1. 掃描頭（scanner）： 是控制探針移動的中樞，使用壓電材料（piezoelectric materials）製成，可讓探針以小於 1埃 的精確度移動。 為了能控制探針做二維平面的掃描（ x 和 y 方向），並隨掃描模式調整探針及樣品間距（ z 方向），通常會在壓電陶瓷管上鍍層金屬，將壓電管外壁均分四極以做 x+ 、 x- 、 y+ 、 y- 方向的掃描，而內壁則是做 z 方向的調變。
