一、项目概述

    扫描隧道显微镜是一种具有极高分辨率的显微镜，它的分辨率在平行样品表面达到几个埃，在垂直样品表面小于一埃。它是由利用针尖扫描及探测隧道电流组成一幅样品表面的图像。因此，针尖和样品表面必须都是导体。

    扫描隧道显微镜是由Binnig和Rohrer在80年代初发明并在86年获得诺贝尔物理学奖，在诸多的研究领域中显现出革命性的成功。扫描隧道显微镜是一个极有意义的高科技项目，特别是在物理、化学、生物、材料科学等领域的纳米科技的研究中有重要作用。本仪器特别适合教学及某些科研工作。

二、系统组成

    整个扫描隧道显微镜系统包括四个部分：即扫描隧道显微镜机械传动部分，电子学部分，计算机部分（包括接口及软件）和减震系统。

1.扫描隧道显微镜机械传动部分包括： 步进电机； 电极引入；粗逼近齿轮箱；扫描器（压电陶瓷驱动器）；针尖架和样品架。

2.电子学部分：全部电子学部分被安排在一个机箱内，只有前置放大器安装在系统内的扫描架顶部。机箱内：反馈控制回路；隧道电流调节；数据采集；电源；粗逼近驱动；偏压及观察范围调节。

3.计算机部分：计算机用于进行功能的选择和控制，数据的采集及图像的处理。

4.抗干扰系统减震系统：弹簧悬挂隔离低频震动；橡胶垫隔离高频震动；低真空系统：真空度10-2Torr，用以隔音，降低气流及温度的干扰。

   5. 针尖材料：φ0.5 mm钨丝。

三、功能说明

STM：具有(256～1024)×(256～1024)数据点的标准的恒定电流模式；

DSTM：两个不同偏压条件下同时采集到的两幅STM图；

表面加工：通过针尖周围的强电场对样品表面进行加工，并对加工结果或后效进行动态研究。

（一） STM主体性能说明

1. 分辨率

平行于样品表面: 好于1Å（决定于针尖质量，扫描电压的精度及图形点密度提供了可达0.1Å的条件：20Å/V，200点，扫描电压噪音<5 mV）；垂直于样品表面: 0.1Å。

2. 压电陶瓷扫描架

常数：Z陶瓷 4 nm/V, X,Y陶瓷 1.5～8 nm/V (可根据需要)；居里点：300℃；最大扫描范围：X,Y＝300nm( 可根据需要至3000nm)；Z=800nm ；温漂：正常工作状态下 0.1nm/min ；固有频率：5KHz。

3. 粗逼近机构

计算机控制的步进马达推动：1.5°/步；蜗轮蜗杆和杠杆减速：80∶1；粗调样品移动范围：5mm ；步进幅度：5 mm。

4. 减震系统

弹簧悬挂隔离低频震动（共振频率约1 Hz）；橡胶垫隔离高频震动。

5. 低真空系统

机械泵抽到10～2Torr。具有良好的隔音，降低气流及温度干扰的作，系统漂移小于0.1nm/min。

6. 电子学系统

偏压：可变范围-2.5V到+2.5V，噪音<1mV，稳定度 0.001；扫描电压：0-200V, 噪音<5mV；隧道电流：100pA-20nA ，噪音<1pA；工作模式：恒定电流模式，信号为Z电压。

（二）计算机控制及软件

1. 控制

粗逼近：进入隧道状态后即自动停止；偏压：极性及大小控制；扫描：在所规定视野内作(256～1024)×(256～1024) 点扫描；

扫描速度：(256～1024)点单程20毫秒到10秒，整幅图10秒到1小时；

数据采集及存储：C语言，菜单驱动；实时显示：扫描线显示以及时了解针尖对样品的跟踪状况等。

2. 图象处理及谱线分析

语言及驱动：C语言，菜单驱动；

文件处理：存取，编辑，打印等；

显示模式：灰度图，线扫描图，三维图，等高图，剖线，多幅图同时显示等；

图象处理：本底扣除，漂移修正，高低通，旋转，翻转，反差变化,膺彩色, 图象及背景的各种调色；

谱线分析： 态密度计算，单线显示，多线同时显示及比较、平均等。

（三）针尖制作方法

φ= 0.5 mm 纯W丝在 NaOH溶液中电腐蚀。

（四）计算机及软件

计算机：品牌机，高于1.8G,128M, 40G,48xCD,17″彩显。

储存结构：256～1024)×(256～1024)× 12bits； A/D,D/A转换:高速12-bit；模数/数模转换：高速12－bit；

控制软件： 扫描功能的说明及设置，参数表的输入等；

操作系统：DOS 及WINDOW 下的两种。

四、技术优势与技术水平

    仪器扫描架，电子线路及减震系统的独特设计使仪器具有极好的稳定性和分辨率。仪器结构可视性好，更换样品方便，有作小改动的余地（如增加小加热炉等）。在国内外类似类型低价位的STM 中稳定性和分辨率是最好的，很容易得到石墨的原子分辨图。

本组所设计与制造的更高水平与难度的“多功能UHV-STM-LEED-AES联合系统”及“纳米可重入  UHV-STM-SEM-LEED-AES多功能系统”分别通过教委（1995）及教育部（2001）科学技术鉴定。1997年获中国物理学会胡刚复物理奖。

五、项目所处阶段

技术已经成熟，在6年多的教学过程（超过600人次）均得到石墨的原子分辨图，并很好地完成了硕士论文、本科毕业论文、科学实践等工作。可以直接应用。

1. 可提供成套教学用扫描隧道显微镜（STM）；

2. 可根据用户需要设计制作超高真空STM（UHV-STM）.

成熟产品：Ds-2000A   扫描隧道显微镜

1.仪器性能:

分辨率：平行于样品表面0.1nm，垂直于样品表面0.01nm；粗逼近：Z方向（马达驱动）£5mm；

压电陶瓷扫描器：扫描系统：三维结构；最大扫描范围：标准型X,Y=300nm，Z=800nm，加大型 X,Y»2mm   Z»2mm

扫描速度：256～1024点（单程） 20ms到10s，整幅图 10s到1hr；

扫描范围：可变范围: 标准型:1nm到300nm；加大型:6nm到3mm；

扫描电压：X,Y   0～200V；

针尖材料：f0.5mm钨丝；

漂移：系统漂移 £0.1nm/min；

信号探测：恒定电流模式 , Z电压；

隧道电流：标准范围:100pA到20nA；可扩展范围:0.01mA；

偏置电压：可变范围:-2.5V到+2.5V；

真空度：机械泵，极限真空5×10^－2乇；

计算机及软件： 计算机： 品牌机，高于1.8G，128M，40G，48xCD，17″彩显；存储结构：(256-1024)×(256-1024)× 12bits； A/D,D/A转换: 高速12-bit；软件：DOC 及Window两种操作系统，实验控制，数据采集，图形显示及处理。

   全套： 6.4万。

图示如下。

图  扫描隧道显微镜

六、合作方式

技术服务。

七、联系方式

北京大学科技处

联系人：杨松尧    电话：010-62757181

邮箱：zkkf@cpku.edu.cn

地址：北京市海淀区颐和园路5号     邮编：100871