扫描隧道显微镜

摘要： 单分子体系是一种典型的受限量子体系,且由于其能级分立、轨道局域、化学拓展性强,因而具有丰富的电子态、光子态以及自旋态,这些分子体系中由量子力学决定的物态使得利用单分子作为未来量子信息的载体成为可能.对单分子尺度量子态的探测和调控研究有利于我们“自下而上”精确构建量子器件.由于单分子体系的尺寸限制,宏观的表征手段难以对其进行精确地调控和探测.扫描隧道显微镜具有高精度的实空间定位能力,高分辨的成像和谱学能力,可以实施原位的分子操纵,还可以与多种外场和局域场表征技术联用,是目前精确探测和调控分子尺度量子态特性的重要工具.本文撷取这一领域较为代表性的进展,介绍了基于扫描隧道显微学技术的表面吸附单分子及其相关结构中的量子态研究现状.首先介绍了表面单分子体系量子态的制备手段,然后分别重点介绍了单分子的局域磁自旋态以及单分子作为单光子源的光学特性.对于石墨烯分子结构我们将其视为一种大分子的单分子体系,分别从其拓扑电子态和自旋态的表征和调控两方面做了介绍.最后总结并对单分子量子态研究未来的发展做了展望.

摘要： 近年来,随着量子信息科学与技术的进一步发展,人们对量子信息处理中最基本的信息单元-单量子体系-的操控与探测提出了更高的要求,例如更高保真度的调控、更长的退相干时间以及更高精度的探测等.虽然不同体系中单量子态的操控已经取得了很好的进展,但是离实际应用还有差距,因此研究不同固态体系中单量子态的操控以及探索其在可扩展化量子信息处理中的应用仍然是目前该领域的重要研究方向.单量子体系的操控及其与微腔的相互作用为可扩展化的量子调控提供了有效手段,这对实现未来大规模量子器件及量子信息处理具有重要的意义.固态单量子体系主要包括单超导比特、单量子点、单缺陷、掺杂单原子以及单分子等体系.每种体系都有不同的优缺点,例如基于半导体量子点的单量子体系易于利用微腔耦合进行调控,可以用超快光学的方法操控,但是可扩展性差;金刚石色心是常温下比较稳定的单量子体系,但是金刚石的掺杂和加工都非常困难;单分子量子体系利用扫描隧道显微镜可以得到高分辨率成像,但是其调控和与其他物质相互作用比较困难等.

摘要： 硼烯作为目前发现的最轻的二维材料,表现出丰富的物理性质,包括高柔韧性、光学透明性、高热导率、近一维自由电子气、狄拉克费米子、超导电性等.然而,由于体相硼的层间共价键结合力较强,很难剥离出单层硼烯.另外,硼原子的缺电子属性,使其化学性质比较活泼,成键复杂,导致硼烯有很多同素异形体.长期以来,关于硼烯的研究停留在理论探索方面,硼烯的实验制备一直难以突破,直到最近几年才由少数课题组成功制备,至此关于硼烯的生长、结构以及电子性质研究打开了巨大的探索空间.本文主要从实验方向,系统综述了硼烯在不同衬底上的制备方法以及表现的不同结构相,并讨论了其生长机理.硼烯的制备为进一步扩展硼烯的物理性质提供研究平台,为探索硼烯的纳米器件制备提供思路,使得其在高能量储备、光电子器件、高检测灵敏度、柔性纳米器件等方面具有巨大的潜在应用前景.

摘要： 半金属铋(Bi)的表面合金具有的Rashba效应,和其具体结构性质有重要关联.本文结合扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论(DFT),系统地研究了Bi原子在Ag(111)和Au(111)上的不同初始生长行为.在室温Ag(111)上,连续的Ag_(2)Bi合金薄膜会优先在Ag台阶边缘形成;在570 K Ag(111)上,随着覆盖度增加到0.33分子层(ML),Bi优先取代配位数低的台阶边原子并从单原子随机分布转变为长程有序的Ag_(2)Bi合金相;随着覆盖度增加,Ag_(2)Bi通过退合金过程转变成p×3^(1/2)结构的Bi膜.Bi在室温和570 K的Au(111)上的生长行为一致:在覆盖度低于0.40 ML时,Bi会优先吸附在配位为5的Au原子上,并以单原子和团簇的形式分别分散在Au(111)的密堆积区域和鱼骨纹重构的拐角处;随着覆盖度增加到0.60 ML,无序的Bi会逐渐转变成长程有序的((37)^(1/2)×(37)^(1/2))相;Bi的吸附会导致Au(111)表面应力逐步释放.Bi在Ag(111)和Au(111)上的不同生长行为表明,Bi原子与衬底之间的相互作用起着关键作用.

摘要： 利用超高真空-低温扫描隧道显微镜(STM)在Cd(0001)表面对低覆盖度下吸附的五螺烯分子([5]H,C_(30)H_(18))进行了研究。研究发现,在极低的覆盖度下,可以在Cd(0001)表面观察到少量单分子以及异手性范德瓦尔斯二聚体。继续沉积分子,先后出现大量由[5]H分子形成的团簇和二维岛,且团簇的形态随偏置电压变化而变化。

摘要： 利用扫描隧道显微镜可以在单原子层次上对材料进行操纵,改变其结构与特性,实现原子级结构与物性的精准调控.近年来,扫描隧道显微镜原子操纵技术被广泛用于新型低维材料的精准构筑与物性调控.本文主要介绍应用原子操纵技术对低维材料物性调控的最新研究进展,总结了4种主要探针操纵模式:1)探针局域电场模式;2)调节探针-样品垂直间距模式;3)无损形态调控模式;4)可控裁剪刻蚀模式.通过这些探针操纵模式引入局域的电场、磁场、应力场等,实现在单原子层次上对低维材料的电荷密度波、近藤效应、非弹性隧穿效应、马约拉纳束缚态等新奇物性进行精准地调控.

摘要： 单层FeSe/SrTiO_(3)中的界面超导增强是近年来高温超导领域的重要发现.该体系中SrTiO_(3)衬底对FeSe的超导增强机制已被广泛研究,其调控作用主要表现为两个方面:电荷掺杂和界面电声耦合.然而,关于FeSe薄膜本身的电子特性研究还不够充分.本文介绍该体系超导增强机制的新进展:FeSe薄膜中的电子条纹相及其与超导的关联.通过扫描隧道显微镜结合分子束外延生长技术,对不同厚度的FeSe薄膜进行了系统研究.我们发现FeSe薄膜中电子倾向于排成条纹状结构,并观测到该条纹相随层厚变化显现出从短程到长程的演化.条纹相是一种电子液晶态,它源于薄层FeSe中被增强的电子关联作用.表面电子掺杂一方面会减弱FeSe薄膜中的电子关联作用,逐渐抑制条纹相;另一方面会诱导超导相变,而剩余的条纹相涨落会对超导电性带来额外增强.我们的结果加深了对低维界面超导体系的认识,也揭示了FeSe薄膜本征的特异性,完善了对FeSe/SrTiO_(3)超导增强机制的理解.

摘要： 石墨烯是低维材料领域研究的热点,在这一体系中研究发现了诸多新奇的量子现象,深入理解石墨烯的电输运性质对于其在未来电子学器件中的应用具有重要的意义.本文通过热分解的方法在SiC单晶衬底上获得外延的双层石墨烯,并系统研究了其电输运性质.在小磁场范围内观测到弱局域化效应,并在较大的磁场区间发现了不饱和线性磁阻.通过角度依赖的磁阻测量,发现该线性磁阻现象符合二维体系的磁输运特征.还在平行场下观测到了负磁阻效应,可能是由双层石墨烯的转角莫尔条纹导致的局部晶格起伏导致的.本文工作加深了对于外延生长的层间具有一定转角的双层石墨烯的电输运性质的认识.

摘要： 由于量子效应,低维石墨烯体系中具有离域的p壳层磁性,其性质迥异于局域的d/f壳层电子.该离域特性使精准调控纳米石墨烯的磁基态和磁交换作用变得有可能,有望精准构筑高质量的磁性石墨烯量子材料.近年来,由于表面化学和表面物理的深度结合,在单原子精度下研究纳米石墨烯的磁性变为可能,打开了一个研究有机量子磁体的新方向.本综述首先概述纳米石墨烯磁性的发展过程和研究现状,然后讨论纳米石墨烯中磁性的产生机制,接着回顾近年来实验的研究进展,最后对低维磁性石墨烯未来发展可能遇到的挑战与机遇进行展望.

摘要： 20世纪80年代,人类通过扫描隧道显微镜,第一次发现纳米世界。短短几十年,纳米世界独有的神奇特性,已经催生出大量前沿科技,悄然改变了我们的生活。纳米科技是在原子、分子尺度上,研究物质的特性和相互作用,进行知识和技术创新,并对物质进行精确加工和原子制造的科学技术。纳米技术和信息技术、生物技术一起,正在成为21世纪科技领域,推动经济和社会发展最重要的三驾马车。

摘要： 高质量表界面分子聚集体是制备搞性能有机分子器件的关键.在此报告中,作者利用扫描隧道显微镜在单分子尺度上研究了有机分子在贵金属表面的自组装,表面反应和自发聚合.并特别详细地研究了炔基和烷基链在分子表面聚集中的作用,发现在贵金属表面,炔基间可以通过CH/π弱氢键结合在一起;而炔基的碳-碳三键也可以通过针尖的操控而打开或者闭合,从而实现大范围的可控可逆反应;当带炔基的小分子吸附在具有相对较强催化作用的铜表面时,炔基会自发打开,从而形成大规模的聚合结构.对于长烷基链而言，一般情况下C-H键比较稳定，然后当其被约束在一维体系中时，反应势垒会大大降低，从而在较低的温度下实现了烷基链之间的聚合。作者希望在单分子尺度上的表面分子自组织和在位反应的扫描隧道显微镜研究能揭示分子各个作用基团在表面自组装中的作用，从而为组成分子的设计和选择提供一定的参考。

摘要： 纳米/微米尺度的金属和非金属材料加工需求不断提高,对于微纳米尺度的加工方法提出了更高的要求.但普通的微细电火花和电化学方法受到尺度的限制，很难在工件或样品上加工出100 nm以下的结构或图形.对基于扫描隧道显微镜(STM)的纳米尺度放电加工方法进行了研究,介绍了其方法和原理.通过在石墨样品上施加的偏压加工,调整电压参数,研究其放电特性和纳米尺度的材料蚀除性能.获得了小于100 nm的加工孔径,分析了加工表面的形貌,对基于扫描隧道显微镜进行纳米尺度的放电加工方法的可行性和精度进行了研究.

摘要： 作为可以进行原子级表面分析的高精密仪器的扫描隧道显微镜用于实验教学已有多年。正确的使用和维护,是延长其使用寿命,真正发挥其教学效果的关键。本文主要介绍了NanoView-I型STM的使用和维护方法,以及常见的故障维修。

摘要： 自从科学家们了解到可以利用自下而上组装的方法构筑功能形貌新颖的纳米材料以来，具有独特的结构和性质功能性有机小分子便被大量地设计合成。这些小分子化合物通过有序组装可以得到光学、电学和生物等性能良好的纳米材料。然而这些化合物的组装机制问题却是一个亟待解决的问题。为了解决这一问题，我们采用扫描隧道显微技术(STM)从单分子水平上对纳米材料的组装机制进行探究。随着扫描隧道显微技术的不断成熟，扫描隧道显微镜在主客体、表界面反应、表面手性等研究方向的优势越来越明显，应用越来越广泛。在纳米材料制备的过程中，线性小分子化合物受到多种外界因素的干扰。为了对这些因素的干扰进行研究并且使之可视化，基于STM技术的研究模型便应运而生。近几年来，我们课题组利用扫描隧道显微镜对功能性小分子化合物的组装机制做了大量的研究。(a)其中一类为线性小分子的组装。例如，非平面结构的芳香亚胺类化合物在石墨表面组装得到的是具有碗状凹槽结构，然而当引入一个平面芳香结构的客体分子之后，客体分子奇迹般地覆盖在“碗里”。其中客体小分子的引入是为了进一步深化对小分子性质的理解。(b) 还有一类是共轭有机大环分子，这种大环分子由于其良好的光电学性能而备受瞩目。一般说来，基于大环分子的纳米材料作为出色的是电子给受体材料，在结构和功能上的优越性也是显而易见的。常温常压下，大环分子在不同浓度，不同退火温度等条件下首先发生组装。随着客体分子的引入，对大环分子的认识有了进一步的了解。客体小分子可以与大环分子发生共组装，且在此过程中体现了大环分子对客体分子的选择性。通过以上的研究，发现STM技术作为重要的研究手段在探究外界因素对功能小分子的干扰并使之可视化，因此在探究组装机制过程中发挥着独到的作用。这一技术也为深入了解功能小分子化合物提供了新的研究思路。

摘要： 分形结构因其特殊的数学和美学意义受到科学家们长期以来的广泛关注.化学家更是试图利用共价键和配位键等来合成各类分子分形结构,但由于溶解性的限制,始终无法实现高级别、无缺陷的分子分形结构的构筑.最近采用超高真空表面制备方法,成功获得了基于卤键与配位键的谢尔宾斯基三角分形结构,并使用扫描隧道显微镜(STM)对其生长机制进行了研究.4,4(′″)-二溴-1,1′∶3′,1″4″,1(′″)-四联苯分子在Ag(111)表面通过自组装形成了一系列无缺陷卤键分形结构.由于卤键作用较弱,该结构只能稳定在液氮温度以下.在Au(111)表面共沉积4,4″-二氰基-1,1′∶3′,1″-三联苯分子与铁原子可以制备出更稳定的配位分形结构.密度泛函理论计算揭示了分形结构的成像机制.蒙特卡洛计算表明,表面三节点的形成对谢尔宾斯基三角分形结构的生长具有重要意义.

摘要： 本文采用直流电解腐蚀法制作了用于STM成像的双曲面型和圆锥型两类钨尖端,并用这两类不同曲率半径的钨尖端扫描获得了HOPG的图像信息,通过对图像的质量分析,得到了一些有实用意义的结果.扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)成像用的隧道电流由探尖态与样品态的卷积所决定,探针与样品在电子隧穿时虽然处于等效地位,但样品的表面态容易控制,针尖的状态则很难控制.理论上STM图像中兼有样品和探针的信息存在,但实际上并不希望针尖的信息明显出现在图像里,因此研究探针的形貌及探针的材料结构对图像质量的影响有重要的意义.

摘要： 扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope,STM)的发明不但使人类能够洞悉原子世界,而且还能通过操纵原子改变世界.STM的极高分辨率与很多因素有关,其中探测元件针尖的质量就是一个最基本的因素.所以自STM发明以来,很多学者都致力于如何制备稳定、清洁、高分辨率的探针.本文针对用于STM的不同直径钨丝,在直流电化学腐蚀法中引入正交试验法,比较容易地优选得出了制备适用尖端的条件参数.

摘要： 利用超高真空扫描隧道显微镜(UV-STM)研究了Si(111)-7×7 重构表面上淀积的锰薄膜 在320°C到650°C之间不同温度下退火的情况，结果发现320°C时锰原子不与衬底反应,淀积 物为Mn的纳米团簇,400°C时纳米团簇、平板状的岛以及不规则的三维岛状物同时存在，500 °C时生成物主要为3 3 ′ 结构的平板状的岛，650°C时生成物全部都是不规则的三维岛状物。另外，生成物的密度随退火温度(T)的增加按T1的规律衰退，生成物的平均高度随着退 火温度的增加而增加。

摘要： 在超高真空中使用热蒸发方法,在Au(111)表面上制备了C90分子的分子单层膜，并利用超高真空低温扫描隧道显微镜在120 K温度下对其结构进行研究。观察到C90分子在Au(111)表面上先是沿着台阶边缘生长，分子铺满一层后,会在薄膜上形成岛状结构。本文对岛状结构进行了原位高分辨表征，观察到C90分子在正偏压和负偏压下的几种不同形钝，并给出了各种形貌所对应的C90分子构型。

摘要： 本文用扫描隧道显微术研究了经过不同方法处理的高定向裂解石墨(HOPG)表面的性质以及铂在其上的成核和生长.通过控制氩刻及氧化时间,在HOPG表面制备出分布和大小均匀的坑.这些纳米坑具有较强的活性,在后面的金属铂沉积过程中成为铂团簇的成核中心.通过控制坑的密度和分布,可以很好地控制沉积的铂团簇的分布及大小.用X射线光电子能谱(XPS)对其电子性质进行了研究,并用高分辨电子能量损失谱(HREELS)研究了甲醇在该体系的吸附行为.

摘要： 本发明偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜，特征是探针架固定于Z定位器或XYZ定位器一端、样品架固定于基座，探针架和样品架位置可互换，固定在探针架上的探针指向样品架上的样品，电流源连接探针和样品构成的隧道结，该隧道结电压信号输入到缓冲器，由该缓冲器给出输出信号。调节样品-探针间距Z时可测V-Z谱；用交流电流源时可测dV/dI谱；用XYZ定位器时可测等高电压图像。如接入反馈控制器则可测样品恒流等电压图像。本发明利用了隧道结本身既有高阻特性可放大弱电流，且又寄生电容较小可提高带宽，使测量带宽和增益同时获得提高，并能改善灵敏度和信噪比；测量V-Z谱也比现有扫描隧道显微镜更简单、精确。

摘要： 本发明公开了一种隔离式扫描隧道显微镜的针尖扫描头装置，涉及精密仪器与检测的技术领域，包括：绝缘背板、槽板、压片、针、手调旋钮、螺杆部、盖板、电路板、壳体、尾部支杆和连接部，其工作原理是通过设定偏置电压触发隧道效应，对其产生的微弱电流信号进行采样，当针尖与样品之间的距离变化时，测得不同间距下的电流曲线，以获得样品表面的形貌特征。本发明将前置放大电路置于密闭的金属腔内，保证前置放大电路免于外界环境的干扰，同时采用锂电池的供电方法和信号磁耦的隔离方式，滤除了外界环境的噪声，避免使用大电阻，提高了测量的精度和带宽。

摘要： 本发明偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜，特征是探针架固定于Z定位器或XYZ定位器一端、样品架固定于基座，探针架和样品架位置可互换，固定在探针架上的探针指向样品架上的样品，电流源连接探针和样品构成的隧道结，该隧道结电压信号输入到缓冲器，由该缓冲器给出输出信号。调节样品－探针间距Z时可测V－Z谱；用交流电流源时可测dV/dI谱；用XYZ定位器时可测等高电压图像。如接入反馈控制器则可测样品恒流等电压图像。本发明利用了隧道结本身既有高阻特性可放大弱电流，且又寄生电容较小可提高带宽，使测量带宽和增益同时获得提高，并能改善灵敏度和信噪比；测量V－Z谱也比现有扫描隧道显微镜更简单、精确。

摘要： 本发明公开了一种防串扰式扫描隧道显微镜扫描装置，运用于精密检测与纳米位移领域，包括：外壳、Z轴进针、样品台、XY轴位移台和步进粗调机构，通过通电的压电陶瓷产生形变使位移台产生弹性形变，运用闭环反馈来得到准确的纳米位移量，在赋予电压差的针尖与样品之间小于1nm时会产生隧道电流，通过读取隧道电流的大小来反馈出原子形貌，将Z轴与XY轴位移台分离，隔绝了容易发生扰动的Z轴对XY轴的干扰，XY轴位移台采用并联式上下叠加，通过陶瓷材料连接，有效减小扰动，采用了悬臂梁式柔性铰链机构来执行弹性形变，力学性能较好且较容易实现纳米位移，将针尖固定于Z轴上，避免多余的针尖装置，保证针尖垂直于样品台，保证扫描的准确性。

摘要： 本发明涉及一种用于近常压扫描隧道显微镜的扫描头，属于近常压扫描隧道显微镜的技术领域。包括扫描管、固定限位环和扫描头主体；扫描头主体包括驱动马达、支架和中心步进杆：扫描头主体还包括压电马达、蓝宝石片、导轨、红宝石球和铍铜弹片；支架的材料为镍铁合金；压电马达由四片压电陶瓷片堆叠组成，且固定安装于支架内；导轨为槽钢状，导轨的槽口与中心步进杆的杆身贴合；红宝石球位于导轨中部的通孔处，红宝石球的外侧被铍铜弹片顶住固定，对导轨施加压力；导轨和中心步进杆通过红宝石球、铍铜弹片夹持，保证中心步进杆在运动过程中与导轨的适应性；中心步进杆的材料和导轨的材料均为蓝宝石。本发明结构紧凑、稳定，寿命能达到5‑10年。

摘要： 本发明公开了一种隔离式扫描隧道显微镜的针尖扫描头装置，涉及精密仪器与检测的技术领域，包括：绝缘背板、槽板、压片、针、手调旋钮、螺杆部、盖板、电路板、壳体、尾部支杆和连接部，其工作原理是通过设定偏置电压触发隧道效应，对其产生的微弱电流信号进行采样，当针尖与样品之间的距离变化时，测得不同间距下的电流曲线，以获得样品表面的形貌特征。本发明将前置放大电路置于密闭的金属腔内，保证前置放大电路免于外界环境的干扰，同时采用锂电池的供电方法和信号磁耦的隔离方式，滤除了外界环境的噪声，避免使用大电阻，提高了测量的精度和带宽。

摘要： 本实用新型涉及一种基于扫描隧道显微镜的纳米级金相显微镜，包括目镜或数字相机设备、物镜转换器、STM探头、支架，目镜或数字相机设备固定在支架的顶部，物镜以及由物镜改装的STM探头均连接上部的物镜转换器并固定在支架上，所述STM探头由上部的压电陶瓷扫描器与下部的探针组成并通过物镜适配器固定，所述STM探头连接电子学控制及扫描单元并通过PC机显示与处理单元对其控制，下部的探针部分连接放大电路装置。本实用新型有益效果为：将光学显微技术的方便性和扫描隧道显微镜(STM)的高分辨率特点相结合，实现了金相显微镜在导电物体表面结构纳米级的分析与测量；实现了STM与光学物镜的观察连续性，极大地提高了工作效率。

摘要： 本实用新型偏置电流型扫描隧道谱仪及扫描隧道显微镜，特征是探针架固定于Z定位器或XYZ定位器一端、样品架固定于基座，探针架和样品架位置可互换，固定在探针架上的探针指向样品架上的样品，电流源连接探针和样品构成的隧道结，该隧道结电压信号输入到缓冲器，由该缓冲器给出输出信号。调节样品－探针间距Z时可测V－Z谱；用交流电流源时可测dV/dI谱；用XYZ定位器时可测等高电压图像。如接入反馈控制器则可测样品恒流等电压图像。本实用新型利用了隧道结本身既有高阻特性可放大弱电流，且又寄生电容较小可提高带宽，使测量带宽和增益同时获得提高，并能改善灵敏度和信噪比；测量V－Z谱也比现有扫描隧道显微镜更简单、精确。

摘要： 本实用新型公开了一种扫描隧道显微镜扫描头的牵引升降结构，属于扫描隧道显微镜技术领域，包括缠绕杆、连接件和滑轮组件；所述连接件的一端缠绕于所述缠绕杆，所述连接件的另一端穿过所述滑轮组件并连接于扫描头的上端；所述缠绕杆水平设置，通过顺时针或逆时针旋转所述缠绕杆以使所述连接件带动所述扫描头沿竖直方向上升或下降。本实用新型中当在最高点固定扫描头时，可以传入样品架、光学观测针尖与样品的相对距离、空间位置，还可以实现用蒸发源原位蒸镀材料到样品上、针尖增强拉曼光谱测量、时间分辨的光谱与显微镜的联合测量功能；而对于扫描头移动的最低点，热屏蔽结构可以保持完整以达到更好的隔热性能，超导磁体也不会受到影响。

摘要： 本实用新型公开了一种扫描隧道显微镜扫描头的平面旋转结构，属于扫描隧道显微镜技术领域，包括固定框架、驱动电机、支撑件和弹性件；所述固定框架安装于扫描头的上端；所述驱动电机位于所述固定框架内并连接于所述扫描头的上端；所述弹性件设置于所述驱动电机上方与所述固定框架之间，使所述驱动电机紧压所述扫描头；所述支撑件设置于所述扫描头与所述固定框架之间。本实用新型控制在扫描头内水平放置的样品在水平面内旋转，与两个超导磁体配合，使得样品上可以附加上三维任意方向的矢量磁场，大量降低了成本，节约了仪器中的空间，同时也减少了液氦的消耗量。