飛賊克斯和康德馬特2018-03-31 20:49:42

掃描隧道顯微鏡的基本原理在於量子隧穿效應。即當針尖靠近材料表面時，材料中的電子會克服針尖和材料之間的勢壘發生量子隧穿效應，如果針尖後端形成迴路，就可以測量到隧穿電流。隧穿電流大小與多個因素有關：針尖距離材料表面的距離、針尖上所加的偏置電壓、材料表面電子態密度大小等。假設材料表面是原子級平整的，如果保持針尖距離不變，隨著針尖在材料表面的移動，就能“感應”到材料表面電子態密度的變化，從而推斷出原子的分佈。如果保持針尖隧穿電流不變，那麼就要隨時調整針尖高度，同樣針尖高度變化能夠“感應”出材料表面的“凹凸不平”，也能給出原子的分佈。同理，還可以改變偏置電壓，即在保持高度不變狀態下，改變隧穿勢壘高度，那麼就能得到不同能量電子隧穿訊號，從而推測材料中的電子能量譜線，又稱掃描隧道譜。

基於這些原理，要實現常溫常壓下的掃描隧道顯微鏡，需要克服很多問題。

1。針尖必須足夠尖，原則上針尖上只有一個原子最好，但一般都是由幾個甚至幾十個原子，針尖的形狀要足夠尖，也就是曲率要足夠小，這樣才能具備原子解析度；

2。控制針尖要足夠精確，一般採用的是壓電陶瓷步進電機控制針尖移動，單位移動距離可以在原子尺度量級，無論是針尖高度還是針尖平面掃描的精度，都要達到這個級別。這意味著要儘可能隔絕振動，需要很穩定的光學平臺和多級防震裝置，有時甚至需要放置在隔聲間裡面；

3。熱穩定度要足夠好，在室溫下因為溫度高，熱效應就強，比如針尖和裝置的熱脹冷縮效應，比如針尖在材料表面的熱漂移，這些都將直接影響測量的精度。

4。電流測量要足夠好。隧穿電流原則上是很小的，我們常用的電流表很難測清楚，需要透過放大電路把獲得的電流訊號逐級放大，最終讓終端測量儀器能夠輕易分辨隧穿電流的變化。

5。材料表面要足夠平整。如果是室溫下在大氣環境放入樣品，那麼樣品表面難免會有所汙染，而且表面的褶皺、臺階、缺陷也是對針尖極其不利的，往往在大範圍掃描針尖時會破壞針尖，最終只能重新做實驗。

因此，要獲得解析度高的原子像或高精度的隧道譜，一般需要原位解離樣品或者樣品是原位生長的薄膜，還需要隔絕機械振動和聲音，還需要低溫環境來隔絕熱效應。但這並不是說常溫常壓下掃描隧道顯微鏡就不能工作，實際上很多實驗室的演示用STM就是在室溫下操作的。