简述STM恒高模式的基本工作原理

简述STM恒高模式的基本工作原理

STM的工作原理

STM是利用量子隧道效应工作的。若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。且 其中Ub：偏置电压；k：常数，约等于1，Φ1/2：平均功函数，S：距离。
从上式可知，隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。对于间距的变化非常敏感。因此，当针尖在被测样品表面做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。这样就可以通过测量电流的变化来反应表面上原子尺度的起伏，如下图右边所示。这就是STM的基本工作原理，这种运行模式称为恒高模式（保持针尖高度恒定）。
STM还有另外一种工作模式，称为恒流模式，如下图左边。此时，针尖扫描过程中，通过电子反馈回路保持隧道电流不变。为维持恒定的电流，针尖随样品表面的起伏上下移动，从而记录下针尖上下运动的轨迹，即可给出样品表面的形貌。
恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式仅适于对表面起伏不大的样品进行成像。当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面的破坏。