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掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy，STM）是通過利用隧穿效應來對材料表面進行觀察的一種非常強大的顯微鏡工具。其很大的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)單原子鏡像級別的分辨率。下面來詳細了解一下掃描隧道顯微鏡的作用、原理和操作方法。
掃描隧道顯微鏡主要用于對各種材料的物理、化學和電子特性進行高分辨率表征。在化學領(lǐng)域，STM常用于探測表面化學反應產(chǎn)物的形成以及單分子反應的研究；在物理領(lǐng)域，STM主要用于研究納米材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；在材料科學領(lǐng)域，STM則被廣泛應用于納米器件制備及表征。此外，STM的原理也被用于開發(fā)其他高分辨率顯微鏡，如原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）、隧道電鏡（Scanning Tunneling Electron Microscopy，STEM）等。
在掃描隧道顯微鏡中，專門設(shè)計的探針在接觸樣品表面時，會在兩者之間形成一個微小的隧穿電流。這種電流與探針與表面間電勢差密切相關(guān)，因此可以通過調(diào)節(jié)探針與樣品之間的距離和連接電勢差，使得電流保持恒定或翻轉(zhuǎn)其方向。掃描樣品表面時，探針沿著水平、豎直或其它方向掃描，同時實時記錄樣品表面的電流變化，通過對電流大小和方向的分析，可以構(gòu)建出樣品表面電子的分布圖像。
掃描隧道顯微鏡的操作需要具備一定的專業(yè)知識和技能，一般由經(jīng)過培訓的專業(yè)人員來執(zhí)行。主要操作步驟如下：
1.準備好STM系統(tǒng)：包括真空系統(tǒng)、樣品臺、探針調(diào)制器和信號采集器等設(shè)備，并進行系統(tǒng)預處理。
2.調(diào)制探針：將成型好的探針較粗地懸掛于豎直架上，調(diào)整位置，在STM系統(tǒng)中進行調(diào)制，以確保探針的幾何形狀和電子性能達到理想狀態(tài)。
3.樣品表面準備：按照實驗要求對樣品進行處理，如清洗、拋光等，以保證樣品表面平整、干凈。
4.探針與樣品接觸：將調(diào)制好的探針在STM系統(tǒng)中保持垂直小范圍振動，并逐漸逼近樣品表面，直至探針和樣品之間出現(xiàn)隧穿電流信號，縮小探針和樣品的距離，優(yōu)化隧穿電流強度，以達到最佳成像效果。
5.成像操作：根據(jù)實驗要求，初步選擇掃描區(qū)域，探針沿所選擇的方向移動，同時記錄隧穿電流信號，構(gòu)建樣品表面的分布圖像。在成像中，需要注意探針傾向和掃描方向的選擇，以確定最佳成像效果。
6.操作結(jié)束：停止探針震動，升離樣品表面，可以對探針進行后處理，并對得到的圖像進行數(shù)據(jù)處理和分析。
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