扫描隧道显微镜的基本原理

扫描隧道显微镜的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。这种现象即是隧道效应。隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均功函数Φ有关.[4]。
　　隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离S减小0.1nm，隧道电流I将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。
　　将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象[5]。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在z向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品[6]。
　　是利用SPM进行纳米加工的客观依据。同时也说明，SPM不是简单用来成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具。
　　5教学课程安排
　　1)周：原理简介与上机模拟。课后着手资料定向查询并准备实验报告。
　　2)第二周：演示与学生实验。先用铁丝作探针练习，熟练后再用铂铱合金丝制作针。指定样品(光栅)的测量。
　　3)第三周：改变电压及扫描角度重新扫描，进行图像处理。课后资料定向查询并完成实验报告。报告内容:心得、体会及建议，STM在某个领域的应用或STM仪器的某部件的原理。
　　4)第四周：宣讲实验报告，每人15分钟(包括5分钟提问)。
　　6图像处理
　　1)平滑处理：将像素与周边像素做加权平均。
　　2)斜面校正：选择斜面的一个顶点，以该顶点为基点，现行增加该图像的所有像数值，可多次操作。
　　3)中值滤波：傅立叶变换。对图像的周期性很敏感，在做原子图像扫描时很有用.