掃描穿隧顯微鏡

掃描隧道顯微鏡（英語：Scanning Tunneling Microscope，縮寫為STM），是一種利用量子穿隧效應探測物質表面結構的儀器。它於1981年由格爾德·賓寧及海因里希·羅雷爾在IBM位於瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，兩位發明者因此與電子顯微鏡的發明者恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。

掃描隧道顯微鏡技術是掃描探針顯微術的一種，基於對探針和表面之間的穿隧電流大小的探測，可以觀察表面上單原子級別的起伏。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下可以利用探針尖端精確操縱單個分子或原子，因此它不僅是重要的微納尺度測量工具，又是頗具潛力的微納加工工具。

概述

掃描穿隧顯微鏡是一種利用量子穿隧效應的非光學顯微鏡。

掃描穿隧顯微鏡的測量干擾主要來源於機械震動和電噪音，因此需要在有較高防震水平的防震台上工作。

其機械部分的實現難點在於如何驅動針尖或樣品在微納尺度範圍內做精確運動，因此用到了壓電陶瓷管。

其電子控制部分的實現難點在於如何將微納量級的穿隧電流轉化為可以處理的信號，因此用到了前級放大器。

針尖受壓電陶瓷管驅動，在x和y方向上進行掃描，而z方向上的運動可分為恆流式和恆高式。

在恆流模式下，壓電陶瓷管受反饋電路控制，保持針尖和樣品之間的穿隧電流保持恆定的設定電流值。為了保持穿隧電流恆定，壓電陶瓷管需要根據表面起伏在z方向上下運動，該運動軌跡反映了表面的起伏情況。以z的值在xy空間上做二維圖，就得到了表面的高度起伏像。

在恆高模式下，壓電陶瓷管在z方向上保持恆定。以探測到的穿隧電流的值在xy空間上做二維圖，就得到了穿隧電流變化像。

學習一項儀器技術的最好方法莫過於自己搭建一台這樣的儀器。^{[原創研究？]}有一些STM技術愛好者^[1]^[2]在網上發表了掃描穿隧顯微鏡的DIY教程，為這一技術的推廣起到了積極作用。^{[原創研究？]}

有機半導體喹吖啶酮的超分子鏈在石墨上自行組裝的掃描式穿隧電子顯微鏡影像。

用掃描式穿隧電子顯微鏡測量得到的量子圍欄（quantum corral）影像。圖尺寸為25nm寬、16nm高。位於銅原子表面的電子，因為在鈷原子圍欄內不停彈撞，形成了一波波的漣漪，就好似一顆小石投入池塘後引起的漣漪。^[3]

用掃描式穿隧電子顯微鏡觀察到的單獨鈷原子在Co(111)表面上的形貌影像。^[3]

掃描穿隧顯微鏡目前的主要應用領域為基礎科學研究，包括模型催化研究、超導、單分子(原子)磁體、納米器件學等。

在工業領域的主要應用為半導體表面形貌測量，例如線寬測量。

^ Guenzler, contents: Juergen Mueller, design: Eva. STM Project - an Amateur Scanning Tunneling Microscope. e-basteln.de. [2017-08-11]. （原始內容存檔於2021-03-11）.
^ Wayback Machine. 2014-07-08 [2017-08-11]. （原始內容存檔於2014-07-08）.
^ ^3.0 ^3.1 美國國家標準技術研究所網頁（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。