扫描隧道显微镜的原理和应用扫描隧道显微镜（STM）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。STM前的显微镜光学显微镜和电子显微镜的缺陷STM的发明GerdBining，HeinrichRohrer和ErnstRuska荣获1986年的诺贝尔物理奖一STM工作原理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(称为样品)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p有关，其关系为I∝Uexp[-A(ps)1/2]，式中A为常量。如果s以0.1nm为单位，p以eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝Uexp[-(ps)1/2]。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，如果s减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。STM的结构STM的工作方式恒流模式恒高模式二STM的应用STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：１．“看见”了以前所看不到的东西STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。C60在硅晶面上的吸附取向实验2．实现了单原子和单分子操纵单原子或单分子操纵方式：1利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、推动”三种方式；通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；3通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。3．单分子化学反应已经成为现实4．在分子水平上构造分子器件三在STM基础上发展起来的各种新型显微镜1原子力显微镜(AFM)AtomicForceMicroscope原理：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体2磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM)MagneticForceMicroscopeElectrostaticForceMicroscope3弹道电子发射显微镜（BEEM）BallisticElectronEmissionMiroscope4光子扫描隧道显微镜（PSTM）PhotonicScanningTunnelingMiroscope课堂练习(2)