文档介绍：量子力学结课论文
从势垒隧穿到扫描隧道显微镜
王忠鹏中国石油大学（华东）理学院材料物理1303班 1309050315
摘要：
本文首先介绍了势垒隧穿效应，也称量子隧穿效应，而后介绍由此效应研制出的扫描隧道显微镜的原理及发展统的应用，它使 STM系统结构更紧凑、精度更高；溶液条件下工作的STM系统的设计，扩展了STM的工作范围；STM与超高真空的结合则把研究工作推到一个新的高度。
进入90年代后，STM技术的发展总是与特定的实验目的紧密结合。例如在利用STM观测样品表面的化学反应方面。人们已由最初的STM和超高真空结合的系统发展到STM、超高真空、反应室和别的测试仪器相结合的系统，这样可使化学反应和测量分别在反应室中、超高真空条件下进行，避免了前者的反应和测量都在超高真空条件下进行。从而克服了反应发生的一般的工业条件和超高真空条件的巨大差异。在生命科学领域，人们也发展了一套独特的STM技术，女如lopping技术。它通过在横向扫描时周期性的抬高针尖，再下压以恢复针尖位置继续扫描来消除针尖对样品横向作用力的累积，避免破坏样品表面。STM扩展技术的发展也同样引人注目，如在原子力显微镜的徽悬臂上加一个压敏电阻可探测针尖与样品的间距，避免了传统的利用光学或隧道电流的探测方法。实现了设备结构的小型化，从而更易与超高真空结合。
以STM概念为基础发展起来的原子力显微镜(Atomic Force Microscope ， AFM)、近场光学显微镜(near-field scanning optical microscope (NSOM))磁力显微镜(Magnetic Force Microscope， MFM)等，进一步扩展了它的应用范围和功能，使STM技术更趋完善•这些显徽镜统称为扫描探针显徽镜(Scanning Probe Microscope， SPM)。
作为表面科学研究的有力工具，STM具有很多优越的性能。可在大气、液体、真空状态下工作。对样品表面也无特殊要求；可以测量单晶、多晶、非晶、纳米相样品； 000K；特别是STM可以与其他实验设备结合，使其应用更加灵活、有效•因此，它在化学、生物、物理、材料等科研领域中都得到了广泛而深入的应用，并取得了一系列重要的研究成果。例如它在表面重构、表面吸附、薄膜生长机制以及表面电子态结构等很多方面的研究都取得了突破性的进展。可以说， STM 技术把纳米科学的研究推到了一个新的阶段。
工作原理
扫描隧道显微镜(STM)的基本工作原理是利用量子理论中的隧道效应。若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当样品与针尖之间的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之问的势垒流向另一电极形成电流。这种现象即是隧道效应。隧道电流与针尖一样品间距S成指数关系，对间距的变化非常敏感。因此，当针尖在被测样品表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的、甚至接近数量级的变化。
其中Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数'卜"和小分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1。扫描探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂- 铱丝等；被观测样品