第一篇：掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

武曉忠201211141046

指導(dǎo)教師:何琛娟

【摘要】： 通過用掃描隧道顯微鏡對石墨的表面形貌進(jìn)行觀測，加深對掃描顯微鏡的工作原理的了解、熟悉掃描顯微鏡的使用步驟和注意事項(xiàng)。以及了解在測量時(shí)對圖像影響的因素。

【關(guān)鍵詞】： 掃描隧道、針尖、隧道電流

【引

言】：

掃描隧道顯微鏡 scanning tunneling microscope 縮寫為STM。它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。

一、實(shí)驗(yàn)原理

先簡單介紹一起各部分的工作原理

1、隧道電流：

掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)．對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一粒子的動(dòng)能E低于前方勢壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回．而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)，它是由于粒子的波動(dòng)性而引起的，只有在一定的條件下，這種效應(yīng)才會(huì)顯著。

在量子力學(xué)理論中，電子具有波動(dòng)性，其位置是彌散的，在V(r)?E的區(qū)域，???h2/2m?V2?V?r????r??e??r??薛定諤方程：? 的解不一定是零（如果V不是無限大的話）。因此一個(gè)入射粒子穿透一個(gè)V(r)?E的有限區(qū)域的幾率是非零的，所以物質(zhì)表面上的一些電子會(huì)散逸出來，在樣品四周形成電子云。在導(dǎo)體表面上之外空間的某一位置發(fā)現(xiàn)電子的幾率會(huì)隨這個(gè)位置與表面距離的增大而呈現(xiàn)指數(shù)形式的衰減。隧道效應(yīng)的物理意義：

STM的工作原理來源于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)貫穿原理。其核心是一個(gè)能在樣品表面上掃描，并與樣品間有一定的偏置電壓，其鎮(zhèn)靜為原子尺度的針尖，由于電子隧穿的幾率與勢壘V?r?的 寬度呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖和樣品的距離非常接近時(shí)，其間的電勢變得很薄，電子云相互重疊，在針尖和樣品之間施加一電壓，電子就可以通過隧道效應(yīng)由針尖移到樣品或從樣品移到針尖，形成隧道電流。通過記錄針尖和樣品間的隧道電流的變化就可以得到樣品表面行貌的信息。STM針尖和樣品之間構(gòu)成勢壘的間隙S約為

110nm。

I?Vexp??KS?（2）

公式（2）給出了隧道電流I與兩電極間的距離S的負(fù)指數(shù)關(guān)系，K??2m?/h?。其中，m為自由電子的質(zhì)量，?為有效平均勢壘高度，V為針尖與樣品間的偏置電壓。

可以看出，粗略的來說，S每改變0.1nm，隧道電流I就會(huì)改變一個(gè)數(shù)量級，因此可以知道隧道電流幾乎總是集中在間隙最小的區(qū)域。

掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲，鉑—銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。

2、隧道針尖：

隧道針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態(tài)。

針尖的宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會(huì)很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學(xué)純度高，就不會(huì)涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會(huì)高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。

目前制備針尖的方法主要有電化學(xué)腐蝕法、機(jī)械成型法等。

制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑-銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學(xué)腐蝕法。如果針尖上只有一個(gè)或兩個(gè)原子的突出，原則上就能獲得原子級的分辨率，因?yàn)樗泶茁孰S后度迅速衰減，所以針尖的銳度、形狀和化學(xué)純度直接影響著STM的掃描效果和分辨率。本實(shí)驗(yàn)用直徑為0.5mm的鎢絲通過電化學(xué)腐蝕的方法制備STM 針尖。U型管中裝有NaOH水溶液，U型管一端插入要溶解的鎢絲作為陽極，另一端插入陰極，材料也是鎢絲。當(dāng)在陽極上加約5~40mA的電流時(shí)，陰極便有氣泡放出。

制備過程中，鎢絲的一端插入到電解液時(shí)，溶液表面由于表面張力使得鎢絲周圍形成一個(gè)彎曲的液面，此處的鎢絲溶解的較快，逐步細(xì)化，最終形成針尖，彎曲液面越短，形成針尖的縱橫比越小，要注意控制彎曲液面的變化，使得針尖具有較小的縱橫比，此時(shí)插入到液面以下的鎢絲長度約為0.5~1mm為宜，本實(shí)驗(yàn)用3mol/L的NaOH為電解液，溫度為室溫。

3、三維掃描控制器：

壓電陶瓷有壓電性質(zhì)，能將1mV～1000V電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位 移。用它制成三維掃描控制器，控制針尖的微小移動(dòng)。

減震系統(tǒng)：任何微小的震動(dòng)都會(huì)對儀器的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，隔絕震動(dòng)的方法：提高固有頻率和 使用震動(dòng)阻尼系統(tǒng)。

底座結(jié)構(gòu)圖：降低大幅度震動(dòng)帶來的影響，另外儀器中對探測部分采用彈簧懸吊的模式，提高固有頻率。

4、STM的結(jié)構(gòu)和工作模式

STM儀器由具有減振系統(tǒng)的STM頭部、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成（圖2）．頭部的主要部件是用壓電陶瓷做成的微位移掃描器，在x-y方向掃描電壓的作用下，掃描器驅(qū)動(dòng)探針在導(dǎo)電樣品表面附近作x-y方向的掃描運(yùn)動(dòng)．與此同時(shí)，由差動(dòng)放大器來檢測探針與樣品間的隧道電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓，反饋到掃描器，作為探針z方向的部分驅(qū)動(dòng)電壓，以控制探針作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)離樣品表面的高度．STM常用的工作模式主要有以下兩種：（1）恒流模式

圖2 恒流模式

利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面x-y方向掃描，而z方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，當(dāng)樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)將使得針尖向前移動(dòng)，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏．將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡記錄并顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖像．這種工作模式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z方向的驅(qū)動(dòng)電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值．恒流模式是一種常用的工作模式，在這種工作模式中，要注意正確選擇反饋回路的時(shí)間常數(shù)和掃描頻率．（2）恒高模式

圖3 恒高度模式

針尖的x-y方向仍起著掃描的作用，而z方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的局域高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布．恒高模式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，實(shí)現(xiàn)表面形貌的實(shí)時(shí)顯示，但這種模式要求樣品表面相當(dāng)平坦，樣品表面的起伏一般不大于1 nm，否則探針容易與樣品相撞．

二、實(shí)驗(yàn)步驟：

1、用上述介紹的化學(xué)腐蝕的方法制3~4根STM 的針尖。

2、用舊針尖來調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中所需要的針尖高度進(jìn)行粗逼近，直到針尖距樣品表面為 0.5-1.0mm之間,在以此為參考，裝上制備好的新針尖，在裝針尖的過程中要注意關(guān)閉電子控制系統(tǒng)。裝好后檢測針尖與樣品是否短路，系統(tǒng)反饋是否良好。

3、裝好針尖后，運(yùn)行STM系統(tǒng)控制軟件，設(shè)置隧道電流和偏置電壓分別為1nA和1.1V。進(jìn)行自動(dòng)進(jìn)針，系統(tǒng)報(bào)警后進(jìn)行手動(dòng)進(jìn)針，直到復(fù)合掃描要求為止，再對石墨樣品表面進(jìn)行掃描，采集石墨樣品表面圖像數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并根據(jù)石墨樣品的晶格參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)X和Y方向壓電陶瓷的電壓靈敏度。

三、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理：

圖4 掃描圖像

圖片順序從左至右、從上至下依次為123456。

圖1:偏置電壓1000mv~500mv，x*4，y*4,周期2000ms 圖2：x*2，y*2，周期1000ms 圖3： x*1.2，y*1.2，周期500ms 圖4： y*0.2，x *1.2，周期500ms 圖5： y*0.04，x*1.2，周期500ms 圖6：周期150ms，其他不變 隧道電流2.57nA 通過分析上述圖像可知：

1、在電流一定的條件下，減小偏置電壓，樣品與針尖距離減?。黄秒妷阂欢?，增大隧道電流，樣品與針尖距離減小。

2、同等倍數(shù)縮小x，y的取值范圍，同時(shí)對應(yīng)的縮小掃描時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致掃描得到的圖像放大同等倍數(shù)。

3、縮小周期，會(huì)同等倍數(shù)放大掃描圖像。

4、由于石墨碳原子的六角網(wǎng)格第一層與第二層錯(cuò)開六角形對角線的1/2而平行疊合，第一 層與第三層位置重復(fù)，屬于ABAB型序列。又由于STM的局限性，只能在所拍得圖片中顯示空間原子較密的部分原子。所以我們看到的原子結(jié)構(gòu)實(shí)際上只保留了AB兩層重疊的相鄰原子。而錯(cuò)開的部分原子并未在圖像中顯示。我們看到的原子間距為2.46 ?。結(jié)構(gòu)示意圖如下。

圖5 石墨結(jié)構(gòu)示意圖

下面計(jì)算壓電陶瓷的壓電系數(shù)。

圖6 掃描圖像

隧道電流（mA）

1.00 偏壓（mV）

400.00 掃描時(shí)間（ms）

800 X軸范圍（V）

Y軸范圍（V）

在圖上取石墨晶體的某一晶向AB，AB長度為10cm，直線AB在x軸和y軸的截距分別為8.6cm、4.8cm，與x軸夾角為θ。夾角cosθ=8.6/10=0.86，sinθ=4.8/10=0.46 X方向壓電系數(shù)：1V/(5*0.246nm*4.8/10)=1.69V/nm Y方向壓電系數(shù)：1V/(8*0,246nm*8.6/10)=0.590V/nm

四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與討論：

1、掃描速度不宜過快，也不宜過慢。掃描速度太快會(huì)導(dǎo)致掃描反饋不夠及時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致毀壞探針；掃描速度過慢會(huì)導(dǎo)致放大探針本身的不穩(wěn)定性，對掃描圖像造成較大的干擾影響。

2、調(diào)節(jié)針尖與樣品的距離的過程中，先用粗調(diào)，再細(xì)調(diào)。細(xì)調(diào)的過程中，電壓的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)該是在100v左右，否則就會(huì)沒有調(diào)節(jié)到理想的位置。

3、要想得到最好的圖像，針尖要很理想，且樣品最好要光滑，且在掃描的過程中系數(shù)對圖像質(zhì)量的影響也是很重要的。

4、在圖像分析中，x，y方向原子分布不均勻，y方向原子分布更為密集，所以可以保持x范圍不變，縮小y的范圍，來得到更好的圖像。

5、實(shí)驗(yàn)的掃描效果并不是很理想，圖像不是很清晰。這和掃描過程中的眾多因素有關(guān)，如外界信號的干擾、掃描參數(shù)的設(shè)置、真空度、石墨樣品表面的光滑程度等，其中影響最大的就是制備的針尖質(zhì)量的好壞，如針尖縱橫比和尖銳程度。

6、縱橫比越小的針尖，做實(shí)驗(yàn)所得的效果越好。彎液面的形狀決定針尖的縱橫比和整體形狀。彎液面越短，縱橫比越小。在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的過程中，鎢絲截面的變化和擾動(dòng)等原因均可能引起彎液面位置的變化，為避免形成畸形針尖，應(yīng)時(shí)刻注意液面的變化。所以不能對著樣品吹氣，不能使桌面振動(dòng)。鎢絲在溶液中的長度也直接影響針尖的質(zhì)量。如果在溶液中的殘端太長，在重力的作用下，殘端掉落得快，這樣的針尖縱橫比大，會(huì)影響針尖的穩(wěn)定性。

五、參考文獻(xiàn)

[1] 熊俊，近代物理實(shí)驗(yàn)，北京：北京師范大學(xué)出版社，2007

第二篇：掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)

13應(yīng)用物理（1）班 楊礴 20***

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)掃描隧道顯微鏡的原理和結(jié)構(gòu)

2.學(xué)習(xí)利用掃描隧道顯微鏡觀察樣品的表面形貌

二、實(shí)驗(yàn)原理

掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流 I 是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān)：

Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。

由上式可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離S減小0.1nm，隧道電流I將增加一個(gè)數(shù)量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在 z 向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。

從式可知，在Vb和 I 保持不變的掃描過程中，如果功函數(shù)隨樣品表面的位置而異，也同樣會(huì)引起探針與樣品表面間距S的變化，因而也引起控制針尖高度的電壓Vz的變化。如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時(shí)，由于不同種類的原子或分子團(tuán)等具有不同的電子態(tài)密度和功函數(shù)，此時(shí)掃描隧道顯微鏡(STM)給出的等電子態(tài)密度輪廓不再對應(yīng)于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態(tài)密度組合后的綜合效果。掃描隧道顯微鏡(STM)不能區(qū)分這兩個(gè)因素，但用掃描隧道譜（STS）方法卻能區(qū)分。利用表面功函數(shù)、偏置電壓與隧道電流之間的關(guān)系，可以得到表面電子態(tài)和化學(xué)特性的有關(guān)信息。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

STM-IIa型掃描隧道顯微鏡

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.開啟計(jì)算機(jī)，控制機(jī)箱，高壓電源，前置放大器，偏壓電源 2.用粗調(diào)旋鈕將樣品逼近微探針-至樣品與探針間距約1mm 3.用細(xì)調(diào)旋鈕將樣品緩慢逼近微探針-至樣品與探針非常逼近4.掃緩慢細(xì)調(diào)并觀察機(jī)箱顯示讀數(shù)-至隧道電流信號約1.50nA左右，Z向反饋信號約-150——-250之間

5.讀數(shù)基本穩(wěn)定后，打開掃描軟件，開始掃描

6.STM關(guān)機(jī)操作步驟-先細(xì)調(diào)退出。關(guān)閉偏壓電源，前置放大器，高壓電源，控制機(jī)箱，計(jì)算機(jī)

五、數(shù)據(jù)結(jié)果

六、結(jié)果討論

1.機(jī)箱顯示讀數(shù)顯示的隧道電流，在樣品非常逼近時(shí)，會(huì)迅速發(fā)生變化，因此在調(diào)節(jié)距離時(shí)，需要小心謹(jǐn)慎。

2.X方向與Y方向均為4000nm范圍，Z方向?yàn)?4.0nm。

七、掃描隧道顯微鏡的具體應(yīng)用

1.掃描

STM工作時(shí)，探針將充分接近樣品產(chǎn)生一高度空間限制的電子束，因此在成像工作時(shí)，STM具有極高的空間分辨率，可以進(jìn)行科學(xué)觀測

2.探傷及修補(bǔ)

STM在對表面進(jìn)行加工處理的過程中可實(shí)時(shí)對表面形貌進(jìn)行成像，用來發(fā)現(xiàn)表面各種結(jié)構(gòu)上的缺陷和損傷，并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷連線，以消除缺陷，達(dá)到修補(bǔ)的目的。

八、STM的優(yōu)越性

1.具有原子級高分辨率，STM在平行于樣品表面方向上的分辨率可達(dá)0.1埃，即可以分辨出單個(gè)原子。

2.可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可以浸在水或其他溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)并且探測過程對樣品無損傷。

3.可實(shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)研究。

九、參考文獻(xiàn)

1.楊景景，杜文漢，Sr/Si（100）表面TiSi納米島的掃描隧道顯微鏡研究，物理學(xué)報(bào)，2011，60（3）

2.謝天生，杜昊，孟祥敏，孫超，聞立時(shí)，納米Ti膜形成過程的掃描隧道顯微鏡觀察，金屬學(xué)報(bào)，2001，37（2）

第三篇：掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

【摘要】掃描隧道顯微鏡的英文縮寫是STM(scanning tunneling microscope，STM)。本實(shí)驗(yàn)通過使用STM來觀測樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】STM 隧道效應(yīng) 恒電流 恒高度

【引言】STM是20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的一種新型表面分析工具。由德國人賓寧(G.Binnig,1947-)和瑞士人羅勒(H.Roher,1933-)1981年發(fā)明，根據(jù)量子力學(xué)原理中的隧道效應(yīng)而設(shè)計(jì)。賓寧和羅勒因此獲得1986年諾貝爾獎(jiǎng).1988年，IBM科學(xué)家從由掃描隧道顯微鏡激發(fā)的納米尺度的局部區(qū)域觀測到了光子發(fā)射，從而使發(fā)光及熒光等現(xiàn)象能夠在納米尺度上進(jìn)行研究。1989年，IBM院士（IBM Fellow）Don Eigler成為第一個(gè)能夠?qū)蝹€(gè)原子表面進(jìn)行操作的人，通過用一臺“掃描隧道顯微鏡”操控35個(gè)氙原子的位置，拼寫出了“I-B-M”3個(gè)字母。1991年，IBM科學(xué)家演示了一個(gè)原子開關(guān)。

STM的出現(xiàn)在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中存在重大的意義，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20實(shí)際世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一?！菊摹?/p>

一、實(shí)驗(yàn)原理

1、隧道效應(yīng)以及隧道電流的產(chǎn)生

在經(jīng)典力學(xué)中，電子的總能量 E 可表示為：

E?Pz?U?Z?

(1)2m其中U?Z?為電子勢能，PZ為電子的動(dòng)量。

對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘(如圖1)這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。

掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時(shí)，在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流向另一電極，形成隧道電流。

I?Vexp??KS?

(2)

其中K??2m?/h?

由式(2)可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。

2、掃描隧道顯微鏡主要工作模式（本次實(shí)驗(yàn)采用恒電流模式）恒電流模式：如圖（a）所示

x-y方向進(jìn)行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動(dòng)，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅(qū)動(dòng)的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒高度模式：如圖(b)所示

在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

STM 掃描隧道顯微鏡，STM控制器，STM控制軟件

圖1 STM 掃描隧道顯微鏡 圖2 STM控制器

三、實(shí)驗(yàn)操作方法

1、針尖的制備

首先用丙酮溶液對針、鑷子和剪刀進(jìn)行清潔，用脫脂棉球?qū)λ鼈冞M(jìn)行多次清洗。少等片刻讓針、鑷子和剪刀完全干燥。接著拿鑷子用力夾緊針的一端，慢慢的調(diào)整剪刀使剪刀和針尖的另一端成一定角度(30～45 度左右)，握剪刀的手在拌有向前沖力(沖力方向與剪刀和針?biāo)傻慕嵌缺３忠恢?的同時(shí)，快速剪下，形成一個(gè)針尖。然后以強(qiáng)光為背景對針尖進(jìn)行觀察，看它是否很尖銳，否則重復(fù)上述操作。

2、樣品的制備

用透明膠帶將石墨表層的不平粘去，使之變得平整。

3、用鑷子小心的將針尖插入針槽內(nèi)(切勿反插)，在針槽外的長度約為 5～6mm，捍入時(shí)保持針與針槽內(nèi)壁有較強(qiáng)的摩擦力，以確保針的穩(wěn)固(方法是先將針事先稍微折彎后再插入)。手調(diào)節(jié)機(jī)座上前方兩個(gè)帶螺旋測微儀的旋鈕，逆時(shí)針調(diào)節(jié)(退針)十多圈左右。再把探頭以針尖朝下的方向緩慢平穩(wěn)的安放在平臺上。注意探頭1.5cm寬的缺口處朝前方，探頭端面的兩個(gè)凹孔應(yīng)正好落在平臺前面的兩個(gè)支架上，此時(shí)針尖應(yīng)正好指向樣品表面。

4、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開控制器電源開關(guān)。單擊桌面的“AJ-1”圖標(biāo)，執(zhí)行操作軟件，屏上會(huì)出現(xiàn)高度圖像(H)、Z 高度顯示(T)、馬迖高級控制(A)共三個(gè)操作框。

5．手動(dòng)進(jìn)針。首先仔細(xì)觀察樣品表面位置并找到鏡像小紅燈，此時(shí)可在樣品表面上看到在鏡像紅燈背景下的鏡像針尖。因而可以估計(jì)出針尖與樣品(鏡面)之間的間距。接著用計(jì)算機(jī)實(shí)行一次“單步進(jìn)”操怍，再用手順時(shí)針調(diào)節(jié)兩個(gè)螺旋測微儀旋鈕，觀察背景鏡像紅燈使實(shí)際針尖和鏡像針尖的距離緩慢靠近，直至兩針尖距離十分接近為止(千萬不能接觸!)。在計(jì)算機(jī)屏上單擊菜單“視圖Z 高度”，出現(xiàn)“Z 高度面板”，觀察紅線應(yīng)居于OV，如果紅線達(dá)到-100V即為撞針，針尖報(bào)廢，需重新再制備和安裝新針尖。如果一切正常就可開始掃描圖像。6．自動(dòng)進(jìn)針。在計(jì)算機(jī)控制主界面上，單擊“馬達(dá)高級控制”菜單，再在馬達(dá)高級控制面板(A)中單擊“連續(xù)進(jìn)”，并密切注意觀察屏上顯示進(jìn)針情況，待“己進(jìn)入隧道區(qū)馬達(dá)停止連續(xù)進(jìn)”的提示框出現(xiàn)后，再點(diǎn)擊“確定”，此時(shí)紅線應(yīng)在-100—0V 之間。然后進(jìn)行單步操作，即單擊馬達(dá)高級控制面板(A中的“單步進(jìn)”，使紅線最后調(diào)節(jié)于中間位置時(shí)停止操作，進(jìn)針結(jié)束。最后關(guān)閉“馬達(dá)高級控制面板(A)”圖框。

7．針尖檢驗(yàn)。在屏上打開“ IZ曲線 Z”圖(即 IZ的高度曲線圖)，出現(xiàn)“高度圖像”后在最左端單擊“掃描”，實(shí)現(xiàn)針尖在樣品表面掃描。掃描完畢后觀察圖中電流衰減情況，如果圖中的曲線越陡峭，同時(shí)變化不大就說明針尖好。

四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果 第一次數(shù)據(jù)與結(jié)果：

第二次數(shù)據(jù)與結(jié)果：

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及誤差分析

通過本次實(shí)驗(yàn)的完成了解了掃描隧道顯微鏡的基本原理，從本質(zhì)上理解了掃描隧道顯微鏡的作用。在本次實(shí)驗(yàn)中我們基本掌握了拔針的手法，以及運(yùn)用STM獲得了高序石墨的表面形貌。本次實(shí)驗(yàn)所獲得的實(shí)驗(yàn)圖像效果不好存在多方面原因。對其進(jìn)行誤差分析：

1、拔針手法不夠嫻熟，使得針不夠好；

2、在調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)軟件相關(guān)參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的偏差；

3、可能由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身的誤差。

第四篇：掃描隧道顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)

驗(yàn)

報(bào)

告

姓名 小編

班級 01**101

學(xué)號 011**01** 組別

實(shí)驗(yàn)日期 2011-11-23

課程名稱

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

同實(shí)驗(yàn)者

指導(dǎo)教師

成績

掃描隧道顯微鏡（STM）

一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1掌握和了解量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)的基本原理。

2學(xué)習(xí)和了解掃描隧道顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)和基本實(shí)驗(yàn)方法原理。

3基本了解掃描隧道顯微鏡的樣品制作過程、設(shè)備的操作和調(diào)試過程，并

最后觀察樣品的表面形貌。

4正確使用AJ—1掃描隧道顯微鏡的控制軟件，并對獲得的表面圖像進(jìn)行處

理和數(shù)據(jù)分析。二．實(shí)驗(yàn)儀器

AJ—1型掃描隧道顯微鏡；P-IV型計(jì)算機(jī)；樣品（高序石墨）；

金屬探針及工具。

三．實(shí)驗(yàn)原理 1．隧道電流

掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一粒子的動(dòng)能E低于前方勢壘的高度V0時(shí)，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回（如圖3）。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它的能量更高的勢壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)，它是由于粒子的波動(dòng)性而引起的，只有在一定的條件下，這種效應(yīng)才會(huì)顯著。經(jīng)計(jì)算，透射系數(shù)

（1）

由式中可見，透射系數(shù)T與勢壘寬度a、能量差（V0-E）以及粒子的質(zhì)量m有著很敏感的依賴關(guān)系，隨著a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在宏觀實(shí)驗(yàn)中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。

掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1 nm），在外加電場的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢壘流向另一電極。隧道電流I是針尖的電子波函數(shù)與樣品的電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S和平均功函數(shù)Φ有關(guān)

（2）

式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。隧道探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑—銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。

由（2）式可知，隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。2．STM的結(jié)構(gòu)和工作模式

STM儀器由具有減振系統(tǒng)的STM頭部、電子學(xué)控制系統(tǒng)和包括A/D多功能卡的計(jì)算機(jī)組成（圖4）。頭部的主要部件是用壓電陶瓷做成的微位移掃描器，在x-y方向掃描電壓的作用下，掃描器驅(qū)動(dòng)探針在導(dǎo)電樣品表面附近作x-y方向的掃描運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，一臺差動(dòng)放大器檢測探針與樣品間的隧道電流，并把它轉(zhuǎn)換成電壓反饋到掃描器，作為探針z方向的部分驅(qū)動(dòng)電壓，以控制探針作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)離樣品表面的高度。

STM常用的工作模式主要有以下兩種：

a.恒流模式，如圖3（a），利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面x-y方向掃描，而z方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，當(dāng)樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)將使得針尖向前移動(dòng)，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡記錄并顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。這種工作模式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z方向的驅(qū)動(dòng)電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒流模式是一種常用的工作模式，在這種工作模式中，要注意正確選擇反饋回路的時(shí)間常數(shù)和掃描頻率。

圖3 掃描隧道顯微鏡的兩種工作模式 b.恒高模式，如圖3（b），針尖的x-y方向仍起著掃描的作用，而z方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的局域高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。橫高模式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，實(shí)現(xiàn)表面形貌的實(shí)時(shí)顯示，但這種模式要求樣品表面相當(dāng)平坦，樣品表面的起伏一般不大于1nm，否則探針容易與樣品相撞。3.STM針尖的制備

隧道針尖的制備是STM技術(shù)中要解決的主要問題之一，針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態(tài)。針尖的宏觀結(jié)構(gòu)應(yīng)使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而減小相位滯后，提高采集速度。如果針尖的最尖端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會(huì)很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級分辨率的圖象。針尖的化學(xué)純度高，就不會(huì)涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會(huì)高于隧道間隙的阻值，從而導(dǎo)致在針尖和樣品間產(chǎn)生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。

現(xiàn)在常用鉑銥合金作為隧道針尖材料。鉑材料雖軟，但不易被氧化，在鉑中加入少量銥（例如鉑銥的比例為80％:20％）形成的鉑銥合金絲，除保留了不易被氧化的特性外，其剛性也得到了增強(qiáng).為了得到銳利的針尖，通常對鉑銥合金絲用機(jī)械剪切方法成型。4.STM的減震

由于STM工作時(shí)的針尖與樣品間距一般小于1nm，同時(shí)由式(2)可見，隧道電流與隧道間距成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的振動(dòng)，例如由說話的聲音和人的走動(dòng)所引起的振動(dòng)，都會(huì)對儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。許多樣品，特別是金屬樣品，在STM的恒流工作模式中，觀察到的表面起伏通常為0.01nm。因此，STM儀器應(yīng)具有良好的減震效果，一般由振動(dòng)所引起的隧道間距變化必須小于0.001nm。建筑物一般在10到100Hz頻率之間擺動(dòng)，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室附近的機(jī)器工作時(shí)，可能激發(fā)這些振動(dòng)。通風(fēng)管道、變壓器和馬達(dá)所引起的振動(dòng)在6到65Hz之間，房屋骨架、墻壁和地板一般在15到25Hz易產(chǎn)生與剪切和彎曲有關(guān)的振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室工作人員所產(chǎn)生的振動(dòng)（如在地板上的行走）頻率在1到3Hz范圍。因此，STM減震系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮1到100Hz之間的振動(dòng)。隔絕振動(dòng)的方法主要靠提高儀器的固有振動(dòng)頻率和使用振動(dòng)阻尼系統(tǒng)。目前實(shí)驗(yàn)室常用的減震系統(tǒng)采用合成橡膠緩沖墊、彈簧（或橡膠帶）懸掛以及磁性渦流阻尼等三種綜合減震措施來達(dá)到減震的目的。掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板（或大理石）和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來降低大幅度沖擊震動(dòng)所產(chǎn)生的影響，其固有阻尼一般是臨界阻尼的十分之幾甚至是百分之幾。除此之外，對探測部分采用彈簧懸吊的方式，金屬彈簧的彈性常數(shù)小，共振頻率較小(約為0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它減震措施。在一般情況下，以上兩種減震措施基本上能夠滿足掃描隧道顯微鏡的減震要求。對儀器性能要求較高時(shí)，還可以配合諸如磁性渦流阻尼等其它減震措施。測量時(shí)，探測部分(探針和樣品)通常罩在金屬罩內(nèi)，金屬罩的作用主要是對外界的電磁擾動(dòng)、空氣震動(dòng)等干擾信號進(jìn)行屏蔽，提高探測的準(zhǔn)確性。

【實(shí)驗(yàn)裝置與控制處理軟件】

NanoView-I型掃描隧道顯微鏡是面向教學(xué)實(shí)驗(yàn)開發(fā)的新型實(shí)驗(yàn)裝置。1． 頭部系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)采用壓電陶瓷管作為掃描器，樣品固定在掃描器上，樣品相對于探針作掃描運(yùn)動(dòng)。支撐系統(tǒng)包括基座、三根鋼柱、懸吊支架和三只掛腳構(gòu)成的托架系統(tǒng)。驅(qū)進(jìn)系統(tǒng)由雙手動(dòng)螺旋測微頭和一只精密步進(jìn)馬達(dá)頂桿（可手調(diào)也可計(jì)算機(jī)控制）組成，三點(diǎn)支撐針塊并控制樣品與針尖距離。防振系統(tǒng)采用三根彈簧吊住底盤，靠彈簧衰減由基座傳入的震動(dòng)。

驅(qū)進(jìn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要用于粗調(diào)和精細(xì)調(diào)節(jié)針尖和樣品之間的距離。利用兩個(gè)螺旋測微頭手動(dòng)粗調(diào)，配合步進(jìn)馬達(dá)（可以手調(diào)也可計(jì)算機(jī)控制調(diào)節(jié)），先調(diào)節(jié)針尖和樣品距離至一較小間距（毫米級），然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)，使間距從毫米級緩慢降至納米級（在有反饋的情形下），進(jìn)入掃描狀態(tài)。退出時(shí)先驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)，使間距緩慢增大，退出掃描間距后，可加快退出速度。

STM系統(tǒng)的振動(dòng)隔離措施采用平板堆垛系統(tǒng)加上懸吊來隔離振動(dòng)。平板堆垛系統(tǒng)由大理石塊（或金屬平板）和橡膠圈構(gòu)成。用于較大范圍的掃描時(shí)，這種措施已經(jīng)能夠有效地隔離振動(dòng)。在進(jìn)行精細(xì)的掃描（比如獲得原子圖象）時(shí)，需要采用彈簧進(jìn)行懸吊。2． 電子學(xué)控制系統(tǒng) STM電子學(xué)控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)無靜態(tài)差動(dòng)反饋回路，控制隧道結(jié)間距變化。在恒流工作模式中其基本過程是首先測出隧道電流并轉(zhuǎn)換成電壓，然后與參考電流比較，經(jīng)過差動(dòng)放大后再輸入積分器，由積分器輸出控制掃描管Z方向的伸縮，使得隧道電流恒定在預(yù)設(shè)的工作點(diǎn)上。由于反饋系統(tǒng)是一種高增益電路，隧道電流又在納安的數(shù)量級，很容易受到外界的干擾，因此對系統(tǒng)要進(jìn)行很好的屏蔽。3．軟件系統(tǒng)

512，系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)采集控制、離線分析處理、文件處理、調(diào)色板四大模塊。在主控命令條中使用相應(yīng)的按鍵就可以啟動(dòng)相應(yīng)的模塊，各模塊之間可以任意切換。?STM軟件系統(tǒng)采用Windows95/98為操作界面，具有使用方便的菜單和工具箱，圖象的存儲可以采用多種格式，最大分辨率可達(dá)512 實(shí)時(shí)采集控制提供馬達(dá)開/關(guān)、單步進(jìn)/單步退、自動(dòng)驅(qū)進(jìn)/自動(dòng)脫離等馬達(dá)控制功能，提供任意角度掃描、定標(biāo)、局域等功能。

離線分析處理提供圖像瀏覽、縮放、線三維、表面三維等多種顯示功能，提供斜面校正、平滑、卷積濾波、FFT、邊緣增強(qiáng)、反轉(zhuǎn)、兩維行平均等圖像處理手段，可對圖像進(jìn)行粗糙度、模糊度、剖面線分析及距離和高度定標(biāo)。調(diào)色板系統(tǒng)包含16種調(diào)色板設(shè)定，任一種調(diào)色板均可由用戶在R、G、B三分量上無級編輯，每一種調(diào)色板均包含灰度與彩色，信息可任意切換。

文件處理提供實(shí)時(shí)的屏幕硬拷貝功能，可保存當(dāng)前任意區(qū)域的屏幕內(nèi)容，提供標(biāo)準(zhǔn)圖像格式輸出，輸出圖像可為其它任何通用圖像處理軟件所識別與處理，以便用戶編輯、排版、打印。四．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.準(zhǔn)備和安裝樣品、針尖

將一段長約3厘米的鉑銥合金絲放在丙酮中洗凈，取出后用經(jīng)丙酮洗凈的剪刀剪尖，再放入丙酮中洗幾下（在此后的實(shí)驗(yàn)中千萬不要碰到針尖?。⑻结樅蟛柯詮澢?，插入掃描隧道顯微鏡頭部的金屬管中固定，針尖露出頭部約5毫米。

將樣品放在樣品座上，應(yīng)保證良好的電接觸。將下部的兩個(gè)螺旋測微頭向上旋起，然后把頭部輕輕放在支架上（要確保針尖和樣品間有一定的距離），頭部的兩邊用彈簧扣住。小心地細(xì)調(diào)螺旋測微頭和手動(dòng)控制電機(jī)，使針尖向樣品逼近，用放大鏡觀察，在針尖和樣品相距約0.5—1毫米處停住。

2.金團(tuán)簇樣品圖象掃描

啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開控制器電源開關(guān)。單擊桌面的“AJ-1”圖標(biāo)，執(zhí)行操作軟件。此時(shí)屏上出現(xiàn)在線軟件的主接口，再單擊菜單中“顯微鏡校正初始化”，屏上跳出一個(gè)選擇框，選定“通道零”，然后多次點(diǎn)擊“應(yīng)用”，左邊的通道零參數(shù)不斷變化，選定一個(gè)其中變化參數(shù)絕對值最小的值，最后單擊“確定”。

單擊菜單“視圖高度圖像”，屏上會(huì)出現(xiàn)高度圖像(H)、Z高度顯示(T)、馬迖高級控制(A)共三個(gè)操作框。然后再將“圖像模式”修改成“曲線模式”，同時(shí)出現(xiàn)“高度曲線”框。此時(shí)的屏顯示如圖10所示。

選擇“馬達(dá)控制”，“隧道電流”置為0.3～0.4nA，“針尖偏壓”置為250mv，“積分”置為5.0，點(diǎn)擊“自動(dòng)進(jìn)”。至馬達(dá)自動(dòng)停止?！皰呙璺秶奔s為1微米，然后單擊“掃描”。點(diǎn)擊“調(diào)色板適應(yīng)”以便得到合適的圖象對比度。調(diào)整掃描角度和掃描速度，同時(shí)也可微調(diào)面板上的“積分”旋鈕（反饋速度）。

手動(dòng)進(jìn)針。首先仔細(xì)觀察樣品表面位置并找到鏡像小紅燈，此時(shí)可在樣品表面上看到在鏡像紅燈背景下的鏡像針尖。

自動(dòng)進(jìn)針。在計(jì)算機(jī)控制主接口上，單擊“馬達(dá)高級控制”菜單，再在馬達(dá)高級控制面板(A)中單擊“連續(xù)進(jìn)”，并密切注意觀察屏上顯示進(jìn)針情況，待“己進(jìn)入隧道區(qū)馬達(dá)停止連續(xù)進(jìn)”的提示框出現(xiàn)后，再點(diǎn)擊“確定”，此時(shí)紅線應(yīng)在-50～＋100V之間。然后進(jìn)行單步操作，即單擊馬達(dá)高級控制面板(A)中的“單步進(jìn)”，使紅線最后調(diào)節(jié)于中間位置時(shí)停止操作，進(jìn)針結(jié)束。最后關(guān)閉“馬達(dá)高級控制面板(A)”圖框。

光柵樣品的掃描。

A、“掃描控制面板”框中：設(shè)置“掃描范囲”為最大；“X偏置”和“Y偏置”為O；設(shè)置“旋轉(zhuǎn)角度”為O；“掃描速率”為1Hz左右。

B、在“反饋控制面板”框中：設(shè)置“比例增益”為5.0000；“積分增益”為18.0000；設(shè)置“設(shè)置點(diǎn)”(即隧道電流)為0.500nA；“偏壓”為50mV左右；而“反饋循環(huán)”為“使能”狀態(tài)。

C．在“高度控制面板”框中：設(shè)置“顯示模式”為圖像模式；“實(shí)時(shí)校正模式”為線平均校正；“顯示范囲”置于150nm；并設(shè)置“顯示中心點(diǎn)”為0.00V。

掃描結(jié)束后一定要將針尖退回！“馬達(dá)控制”用“自動(dòng)退”，然后關(guān)掉馬達(dá)和控制箱。五．圖象處理

（1）平滑處理：將像素與周邊像素作加權(quán)平均。

（2）斜面校正：選擇斜面的一個(gè)頂點(diǎn)，以該頂點(diǎn)為基點(diǎn)，線形增加該圖象的所有像數(shù)值，可多次操作。

（3）傅立葉變換：對當(dāng)前圖象作FFT濾波，此變換對圖象的周期性很敏感，在作原子圖象掃描時(shí)很有用。

（4）邊緣增強(qiáng)：對當(dāng)前圖象作邊緣增強(qiáng)，使圖象具有立體浮雕感。

（5）橫切面分析

六。思考和分析。

1． 闡述恒高模式和恒流模式的基本工作原理。

a.恒流模式，如圖3（a），利用壓電陶瓷控制針尖在樣品表面x-y方向掃描，而z方向的反饋回路控制隧道電流的恒定，當(dāng)樣品表面凸起時(shí)，針尖就會(huì)向后退，以保持隧道電流的值不變，當(dāng)樣品表面凹進(jìn)時(shí)，反饋系統(tǒng)將使得針尖向前移動(dòng)，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏。將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡記錄并顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。這種工作模式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在z方向的驅(qū)動(dòng)電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒流模式是一種常用的工作模式，在這種工作模式中，要注意正確選擇反饋回路的時(shí)間常數(shù)和掃描頻率。

圖3 掃描隧道顯微鏡的兩種工作模式

b.恒高模式，如圖3（b），針尖的x-y方向仍起著掃描的作用，而z方向則保持絕對高度不變，由于針尖與樣品表面的局域高度會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，因而隧道電流的大小也會(huì)隨之明顯變化，通過記錄掃描過程中隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)密度的分布。橫高模式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，實(shí)現(xiàn)表面形貌的實(shí)時(shí)顯示，但這種模式要求樣品表面相當(dāng)平坦，樣品表面的起伏一般不大于1nm，否則探針容易與樣品相撞。

2.通過對STM的實(shí)際操作，請說明和分析不同的掃描速度對樣品表面形貌圖的影響情況。

圖片會(huì)不清晰，出現(xiàn)一些條紋，會(huì)影響的但圖片的處理。3.樣品偏壓和隧道電流的不同設(shè)置對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？

在掃描時(shí)，掃描的圖片的真實(shí)度-與樣品的表面實(shí)際情況，影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。

4.用STM技術(shù)獲得的樣品表面形貌圖實(shí)質(zhì)上它表示的內(nèi)容是什么？

樣品表面原子分布的高低程度。

第五篇：實(shí)驗(yàn)報(bào)告

《體育測量與評價(jià)》實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板

課程名稱：體育測量與評價(jià)

實(shí)驗(yàn)名稱：ISAK全套人體測量指標(biāo)(共39項(xiàng))測試

一、預(yù)習(xí)報(bào)告

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑偻ㄟ^實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化體格及身體成分測量的有關(guān)知識和操作技能，培養(yǎng)系統(tǒng)的積累有關(guān)數(shù)據(jù)資料，樹立求真務(wù)實(shí)的風(fēng)氣，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究工作能力和協(xié)作精神。

②通過實(shí)際測量，準(zhǔn)確掌握測試點(diǎn)的定位，正確使用測量儀器，準(zhǔn)確讀數(shù)；提高學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)動(dòng)手能力，理論聯(lián)系實(shí)際，將基本理論知識聯(lián)系到體育教學(xué)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和科研的實(shí)際中去，培養(yǎng)對實(shí)際問題的分析處理能力，進(jìn)而為體育運(yùn)動(dòng)實(shí)踐提供科學(xué)指導(dǎo)。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

量度：體重（1項(xiàng)）

長度：身高、坐高、上臂、前臂、手長、髂前上棘高、大轉(zhuǎn)子高、大腿、小腿、脛骨長（10項(xiàng)）

寬度：肩寬、髂嵴、足長、胸寬、胸厚、肱骨、股骨（7項(xiàng)）

圍度：頭圍、頸圍、上臂放松、緊張圍、前臂、手腕、胸圍、腰圍、臀圍、大腿、大腿中、小腿、踝圍（13項(xiàng)）身體成分：肱

三、肩胛、肱

二、髂嵴、髂前、腹部、、大腿前、小腿內(nèi)（8項(xiàng)）

3.實(shí)驗(yàn)條件

量度測量：杠桿式體重秤

長度測量：身高/坐高儀，長、短鋼直尺，兩米以上的卷尺，足長測量計(jì)

寬度測量：測徑規(guī)

圍度測量：帶狀軟尺

體成分測量：皮褶厚度計(jì)

二、實(shí)驗(yàn)操作與結(jié)果

1.實(shí)驗(yàn)方法、步驟

①學(xué)習(xí)ISAK全套人體測量指標(biāo)(共39項(xiàng))測試的相關(guān)理論知識；測量方法、相關(guān)儀器使用方法、讀數(shù)、產(chǎn)生誤差的原因等。

②測量上述指標(biāo)，3人一組（被測人、測量員、記錄員）相互測量，完成3次測量，并將測量的結(jié)果填寫在表格中，計(jì)算出平均值或取中間值記錄，檢查準(zhǔn)確無誤后，再填寫電子版，打印后貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處。

③討論交流測試各項(xiàng)指標(biāo)的心得體會(huì)，為自己或同學(xué)制定個(gè)人鍛煉計(jì)劃、體質(zhì)健康增強(qiáng)方案等提供參考數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)及觀察結(jié)果

見附表（要求將測試數(shù)據(jù)輸入表格后打印粘貼）

3.分析討論

圍繞受試者各項(xiàng)指標(biāo)的測量結(jié)果，根據(jù)以往學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，參考《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》，分析其目前體格和身體成分狀況，提出制定個(gè)人鍛煉計(jì)劃的設(shè)想或個(gè)人增強(qiáng)體質(zhì)健康的重點(diǎn)方向。

針對出現(xiàn)較多或較大誤差的測試項(xiàng)目，探尋原因，提出改進(jìn)措施。