掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy，STM）是通過利用隧穿效應(yīng)來對材料表面進(jìn)行觀察的一種非常強大的顯微鏡工具。其很大的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)單原子鏡像級別的分辨率。下面來詳細(xì)了解一下掃描隧道顯微鏡的作用、原理和操作方法。
掃描隧道顯微鏡主要用于對各種材料的物理、化學(xué)和電子特性進(jìn)行高分辨率表征。在化學(xué)領(lǐng)域，STM常用于探測表面化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的形成以及單分子反應(yīng)的研究；在物理領(lǐng)域，STM主要用于研究納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；在材料科學(xué)領(lǐng)域，STM則被廣泛應(yīng)用于納米器件制備及表征。此外，STM的原理也被用于開發(fā)其他高分辨率顯微鏡，如原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）、隧道電鏡（Scanning Tunneling Electron Microscopy，STEM）等。
在掃描隧道顯微鏡中，專門設(shè)計的探針在接觸樣品表面時，會在兩者之間形成一個微小的隧穿電流。這種電流與探針與表面間電勢差密切相關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)探針與樣品之間的距離和連接電勢差，使得電流保持恒定或翻轉(zhuǎn)其方向。掃描樣品表面時，探針沿著水平、豎直或其它方向掃描，同時實時記錄樣品表面的電流變化，通過對電流大小和方向的分析，可以構(gòu)建出樣品表面電子的分布圖像。
掃描隧道顯微鏡的操作需要具備一定的專業(yè)知識和技能，一般由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)人員來執(zhí)行。主要操作步驟如下：
1.準(zhǔn)備好STM系統(tǒng)：包括真空系統(tǒng)、樣品臺、探針調(diào)制器和信號采集器等設(shè)備，并進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)處理。
2.調(diào)制探針：將成型好的探針較粗地懸掛于豎直架上，調(diào)整位置，在STM系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)制，以確保探針的幾何形狀和電子性能達(dá)到理想狀態(tài)。
3.樣品表面準(zhǔn)備：按照實驗要求對樣品進(jìn)行處理，如清洗、拋光等，以保證樣品表面平整、干凈。
4.探針與樣品接觸：將調(diào)制好的探針在STM系統(tǒng)中保持垂直小范圍振動，并逐漸逼近樣品表面，直至探針和樣品之間出現(xiàn)隧穿電流信號，縮小探針和樣品的距離，優(yōu)化隧穿電流強度，以達(dá)到最佳成像效果。
5.成像操作：根據(jù)實驗要求，初步選擇掃描區(qū)域，探針沿所選擇的方向移動，同時記錄隧穿電流信號，構(gòu)建樣品表面的分布圖像。在成像中，需要注意探針傾向和掃描方向的選擇，以確定最佳成像效果。
6.操作結(jié)束：停止探針震動，升離樣品表面，可以對探針進(jìn)行后處理，并對得到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
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