扫描隧道电子显微镜原理及工作方式

透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜(SEM)虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面”总在一定深度上，而且分辫率也受到很大限制。场发射电子显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。

扫描隧道电子显微镜(STM)的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品(如透射和扫描电子显微镜)来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成象(如场发射电子显微镜)，并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。

原理

扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减;衰减长度约为1nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠;如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)。

工作方式

尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同,但都包括有下述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方式：恒流模式、恒高模式。

恒流模式

利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，扫描隧道电子显微镜得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图像信息全面，显微图象质量高，应用广泛。

恒高模式

在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。