文档介绍：1
液膜法制备STM探针
理学院材料科学与工程系张潇
学号:2002143009
【摘要】本文介绍了用液体薄膜代替传统的电解质溶液制备STM探针的液膜法。用光学
显微镜,SEM,EDS对探针的形状和成分进行分析,同时对影响探针制备的几个因素进行研究,
得到了制备探针的最佳条件。
【关键词】STM 探针制备液膜法电化学腐蚀
【教师点评】该生按照指导教师要求阅读了大量的相关文献资料,独立设计实验方案,
并认真完成实验,最终获得曲率半径为 48nm 和 21nm 的探针。论文对探针的制备进行了详
细论述和具体分析,观点正确,实验数据可靠。论文结构清晰,逻辑严谨,符合本科毕业
论文的要求。点评教师: 汤皎宁

第一章绪论
扫描隧道显微镜的发展概述[1]
在当今的科学技术中,如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体,是一个重
年德国 Ruska 和 Knoll 研制了第一台电子显微镜以来,许多用于
表面结构分析的现代仪器相继问世,如透射电子显微镜(transmission electron
microscope,TEM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、场离子显微
镜(fieldion microscope,FIM)等等,但是,
年,国际商业机器公司(International Business Machine,IBM)苏黎世研究所的 Gerb
Binnig 和 Heinrich Rohrer 及其同事们成功地研制出世界上第一台扫描隧道显微镜
(scanning tunneling microscope,简称 STM),它使人类第一次能够直接观察到物质表面
上的单个原子及其排列状态, 年,Binnig 和
Rohrer 是继高分辨透射电子显微镜,场离子显微镜之后,第三
种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜,其分辨率水平方向可达 ,垂直方向可达
,在纳米技术的发展中占有着极其
STM,科学家可以研究原子间的微小结合能,制造人造分子;生物学家
可以研究生物细胞和和 DNA 分子的结构,进行分子切割和组装手术;材料学家可以分析材
料的晶格和原子结构;微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件.
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STM 的工作原理是基于量子理论中的隧道效应[2]
隧道效应是量子力学中的微观粒子所具有的特性,即在电子能量低于它要穿过的势垒
高度时,由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。为了说明隧道理论效应理论,假设
这样一个系统:两片金属片被一片厚度为 d 的绝缘物隔开,如图 1(a),两片金属上加有一
个电压 U,在金属里,电子的能级是 E0,E1,E2,⋯EF,而绝缘物则相当于一个势垒Φ,按
照经典的电磁学理论,一个金属 1 中处在能级 EF 上的电子,至少要获得能量Φ,才能跑到
金属 2 中去,如图 1(b),但按照量子力学,它无须获得任何能量,就有一定的几率离开金
属 1 跑到金属 2 去,就像经过一条隧道从位势低的山的钻过去似的,如图 1(c),这就是隧
道效应。一般在低温和小偏压条件下,隧道电流可简单表示为
I∝e-2kd (1)
式中,I是隧道电流;d是金属1和金属2之间的距离;k是金属表面电子波函数在绝缘层势垒
中的衰减常数,在真空系统下为
K=2∏(2mΦ)1/2/h (2)
式中,h为普朗克常数;m为电子质量;Φ为有效局域切函数,近似等于势垒高度。
实际情况下,隧道电流的表达式远没有(1)简单,但隧道电流I与距离d 的关系仍然主
要是指数衰减关系,并由试验所验证。

图 1 (a)被一块厚度为 d 图 1 (b)经典物理中,金图 1 (c)隧道效应使金属
的绝缘物隔开的两金属的电 1EF 能级上的电子获得能量, 1 中的电子有机会直接跑
子能级,Eo 为基态能级,EF 越过为位势Φ,达到金属 2 到金属 2 中
为费米能级,U 是加载的电压

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STM 的工作原理[2]
STM工作原理是基于量子力学的电子隧道效应,当一具有原子尺度的探针针尖足够接近
试样表面,使得针尖上的电子波函数与试样表面的电子波函数产生交叠时,夹在针尖和试样
间的电压将使电子穿过它们之间的势垒形成隧道电流。由式(1)可知,随着针尖与试样间
距的增加,隧道电流按指数衰减。如