SPM¶

Scanning Probe Microscopy：扫描探针显微镜（直接“摸”到原子）

扫描隧道显微镜（STM）¶

Scanning Tunneling Microscope

凝聚态的终极目标：获得没有被干扰的单原子信号。但是只要观测就干扰到它了...

要在原子尺度上“摸”需要的条件

原子尺度上尖锐的探针
- 顶端是有可能出现单个原子的
- 延展性好的金属绝对不行！很容易“化开”
- 需要硬、脆（自锐性）的金属 \(\implies\) 钨
原子尺度上的移动
- 压电陶瓷（电压 \(\rightarrow\) 变形）
- 三片压电陶瓷，实现 x y z 移动
原子尺度上灵敏的感觉
- 隧穿电流（针尖离样品的距离和电流强度的关系）
- 势垒（宽 \(a\)，高 \(U_0\)）的隧道电流
  
  \[ I = I_0 \, \mathrm{e}^{- \frac{2}{\hbar} \sqrt{2 m (U_0 - E)} a} \]
  
  测量中要维持 \(I\) 不变，必须保持 \(a\) 不变。通过调节压电陶瓷上的电压来控制针尖的起伏。针尖的起伏 \(=\) 样品的起伏。
  
  这个起伏只是相对的，不同的原子，在不同位置（晶格）同种原子的电子态都有差异，但是管不了这么多了！
能够抗原子尺度上的各种干扰（噪声）
- 整体加工
- 严格防振（Å 级别）
- 抗各种电子干扰
试错：磁悬浮、放水银池里

第一台 STM：将不同固有频率的弹簧串联在一起

弹簧小隔振，电磁阻尼大隔振

Push-pull motion driver (PPM)：平时不用的时候架着，防止弹簧疲劳

Scanner tube：

针尖座（tip carrier, 三个孔）：

样品座（Sample plate）：

针尖监视系统（CCD camera and moniter）

先手动进针，用 CCD 监视，慢慢靠近，直到出现隧穿电流（CCD 观察会看到两个针尖，其中一个是样品表面成的像）

自动进针：

恒流模式（绝大多数情况）
- 保持隧穿电流恒定，调节针尖高度
- 优：分辨率高
- 劣：扫描速度慢
  - 可能扫到别的原子
  - 类似于快门速度太长，有重影/只拍到半个原子（跑了）
恒高模式
- 保持针尖高度恒定
- 优：扫描速度快
- 劣：分辨率低，容易撞针
- 快速变化的表面
- 大致看一下（不要求精细）

扫描隧道电子谱（STS）

固定探针位置，改变样品与针尖之间的电压，测量电流的变化，得到伏安特性曲线 \(I\)-\(V\)，就知道了材料的性质（绝缘/半导体/导体）

问题：样品与针尖之间的电场强度极高，很容易把样品“推开”，不确定是同一个原子

电解液电腐蚀，自锐性好的材料的尖端原子会被推开

完全是玄学

选择原子间引力最大的距离

工作原理：

Needle sensor：晶振上装针尖，容易坏且贵

电腐蚀：引力，把针“拉”尖

STM 可以加电场，而 AFM 的引力非常有限，所以 STM 的自锐性更好。

STM 不能直接看见苯环的六个原子，因为 \(\mathrm{sp}^2\) 杂化，电子云在两两之间；但提供金属衬底后，衬底（钌）提供电子，就能看到单个原子了（在基底上苯环甚至能打开生长成石墨烯）

STM 看到的是导电的电子态，不是原子！

例：银衬底吸附了一个氧原子，会看到陷下去一块！因为氧原子的电子云被银衬底的电子云吸引了

STM tip 最小尺寸是原子尺度(大约 > 2 Å),但 STM 的横向分辨率可以达到 1 Å 左右,为什么?

金属导电的是 d 电子，d 电子的电子云比较尖，远小于原子尺寸。

但是电子云在旋转，所以精度有极限。

原子传输

有时候会看到“半个原子”，是因为在针尖 forward-backward 两次扫描的过程中，原子跑了！

跑去哪呢？集体跑到别处的话，能量不合理，别的地方不过来也不合理。跑到空中也不合理。\(\implies\) 到针尖上了！

The interaction energy gain between \(\mathrm{molecule/Ag < molecule/W (tip) < molecule/Ru}\).

扫描银基底的时候，跑到针尖上；扫描钌基底的时候，跑到钌基底上。