[摘要]扫描隧道显微镜（STM)的原理是基于量子理论中的隧道效应。若将极细的探针和被研 究物质表面作为两个电极，当探针与样品间的距离非常接近时，在外加电场作用下，电子会穿 过两个电极间的绝缘层从一极流向另一极，产生与两电极间距离和表面性质有关的隧道电流。 这种效应是电子波动性的直接结果，是一种典型的量子效应。
扫描隧道显微镜（STM)的原理是基于量子理论中的隧道效应。若将极细的探针和被研 究物质表面作为两个电极，当探针与样品间的距离非常接近时，在外加电场作用下，电子会穿 过两个电极间的绝缘层从一极流向另一极，产生与两电极间距离和表面性质有关的隧道电流。 这种效应是电子波动性的直接结果，是一种典型的量子效应。
对于简单的由金属、绝缘体组成的一个平面的隧道结来说，产生的隧道电流强度J可以用 —维的简化公式来表示，即
IaoVhexp(-A01/2S) (8.1)
式中：Z为隧道电流强度;Vb为针尖与样品之间所加的偏压;A为常数，在真空条件下近似为 1;少为针尖与样品之间的平均功函数；S为计尖与样品之间的距离。
可以看出，产生的电流强度与两个电极之间的距离S成指数关系，当电极距离每减小
1 nm，产生的隧道电流将增加一个数量级，所以隧道电流的大小与两电极间的距离密切相 关。当控制电极与样品表面隧道电流恒定不变时，针尖、样品之间的距离就不会改变，在扫描 过程中，针尖将随着表面的起伏而上下运动，此时探针在垂直方向上的髙低变化就反映了样品 表面的起伏，其工作原理如图8. 1所示。
原子力显微镜（AFM)工作原理及特点
原子力显微镜（AFM)是在STM基础上发展起来的。它是通过原子之间非常微弱的相互 作用力来检测样品表面。用一个三角形的 微悬臂，长约几微米，顶部有个锥形体做针 尖。这种悬臂像弹簧一样对作用力很敏感。
当这个针尖向表面逼近时，针尖的尖端与样 品表面原子相互作用，两者到一定距离就会 产生原子间的排斥力。这个排斥力一般是 其他几种作用力的综合。排斥力会使针尖 往上翘，当受到的作用力大，就翘得高一些。
探测时把一束激光打在这个微悬臂的背面，
激光的反射通过一个位置探测器和光电二 极管接收下来。当这个微悬臂由于针尖和 样品之间相互作用发生偏移或者弯曲时，这 个形变就会通过位置探测器详细地记录下 来，从而能计算出针尖在这个方向的移动量。
可得到表面形貌，这个检测方法的最大特点是不要求样品具有导电性。
其他类型的扫描探针显微镜
基于STM的基本原理，随后又发展起来一系列扫描探针显微镜，如扫描力显微镜 (Scanning Force Microscope,简称 SFM)、弹道电子发射显微镜（Ballistic Electron Emission Microscopy,简称 BEEM)、扫描近场光学显微镜（Scanning Near - field Optical Microscope,简 称SNOM)等。这些新型显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用，如电的相互作用、 磁的相互作用、力的相互作用等，来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化 学性质。
各种扫描探针显微镜比较如表8. 2所列。
表8. 2各种扫描探针显微镜
名称 相互作用 (检测信号） .横向分辨率 特点 j
扫描隧道显微镜(STM) 隧道电流 0. 1 nm 导电性试样表面凹凸三维像
原子力显微镜(AFM) 原子间力 0.1 nm (非）导电性试样表面凹凸三维像
扫描隧道谱分光(STS) 隧道电流 0. 1 nra 导电试样表面及表面物理像(I— V特性、工作函数、状态密度等）
磁力显微镜（MFM) 磁力 25 nm 磁性体表面的磁分布像
摩擦力显微镜（FFM) 摩擦力 - 试件表面横向力分布像
扫描电容显微镜(SCM) 静电容量 25 nm 试件表面的静电容量分布像
扫描近场光学显微镜(SNOM) 衰减光 50 nm 用光纤探头探测样品表面光学性质的 量度面像
扫描近场超声波显微镜(SNAM) 超声波 0. 1 jmm 试样内部的声波相互作用像
扫描离子传导显微镜(SICM) 离子电流 0. 2 {im 溶液中离子浓度，溶液中试样表面的凹凸像
扫描璲道电位计(STP) 电位 10 pv 试样表面的电位分布像
扫描热轮廓仪(SThP) 热传导 100 nm(104<C) 试样表面的温度分布像
光子扫描隧道显微镜（PSTM) 光 亚波长级 试样表面的光相互作用像
弹道电子放射显微镜(BEEM) 弹道电子 1 nra 表面形貌的获取同STM
激光力显微镜(LFM) 吸引得范德华力 5 nm 测量的表面性质对受迫振动的微悬臂 所产生的影响而成像
静电力显微镜（EFM) 静电力 100 nm 使用带电荷的探针在其共振频率附近 受迫振动，测量静电力而成像