扫描隧道显微镜的工作原理如图3-43所示。扫描隧道显微镜是基于量子力学的隧道效应，通过一个压电陶瓷驱动的探针在物体表面进行精确的三维扫描，其扫描精度达到纳米（甚至原子）级。该探针尖端只有一个原子大小，且距离样品表面足够近，以使探针尖端与样品表面之间的电子云有些微重叠。这时若在探针与样品表面之间加上一定的偏压，就会有隧道电流的电子流通过样品和探针。在探针扫描时，记录隧道电流的变化就可以推断样品表面的起伏情况，再经计算机处理后就可在计算机屏幕上获得反映物体表面形貌的直观图像。
图3-43 扫描隧道显微镜的工作原理及样品与针尖间的隧道电流
（一）扫描隧道显微镜的原理
1.量子隧道效应 根据量子力学原理，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外的一段距离内，仍会有部分电子云存在，但表面之外的电子云密度随距离的增加呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（样品）的表面作为两个电极。当样品表面与针尖距离小于1nm时，两者的电子云略有重叠，如图3-44所示。若在两级间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一级流向另一级，形成隧道电流I。这就是隧道效应。
图3-44 金属针尖与样品在间距很小时发生的电子云重叠
在扫描隧道显微镜中，电子有可能是从针尖流向样品表面或者从样品表面流向针尖（流向是根据两边所加电压不同）。针尖—样品之间的障碍可以是空气、真空或液体介质，通过检测隧道电流的大小就可精确控制针尖—样品间的距离。隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离d极为敏感。距离d减小0.1nm，隧道电流I就会增加一个数量级，如图3-45所示。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也能通过隧道电流显示出来。
图3-45 扫描隧道显微镜的隧道电流随针尖—样品间距离的指数变化关系
2.压电效应与压电陶瓷 扫描隧道显微镜是一种近场成像仪器，针尖在样品表面扫描时要求以约0.001nm的精度维持稳定的隧道结。常规的机械装置无法实现扫描隧道显微镜的精确定位和扫描，目前能够实现扫描隧道显微镜精确定位和扫描的装置只有压电陶瓷。
压电陶瓷是一类具有压电效应的晶体物质。压电效应是指在某些晶体两侧施加压力，在晶体两侧就会产生电压；反之，在晶体两侧施加电压后，晶体就会发生伸长或收缩，如图3-46所示。最早发现的具有压电效应的晶体是钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）。此后，以锆钛酸铅为基础的二元系、三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异、制造简单、成本低廉、应用广泛，其中应用最广泛的是锆钛酸铅。
图3-46 晶体压电效应示意图
压电陶瓷在电场作用下的形变量很小，通常在压电材料的两端加上1V的电压可使其伸缩1nm。如果要获得较大的机械位移，可以将许多块压电陶瓷压制成型。例如，将1000片压电盘压制成型后施加1V的电压，它就能伸缩1000nm。
利用压电材料制成的扫描隧道显微镜针尖通常被安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上。
（二）扫描隧道显微镜的仪器组成
一般来说，扫描隧道显微镜主要由探针扫描系统、电流检测与反馈系统、数据处理与显示系统、振动隔离系统四部分组成（图3-47）。(www.xing528.com)
图3-47 扫描隧道显微镜的系统组成
1.扫描探针系统
（1）压电陶瓷探针架及样品台。目前扫描隧道显微镜针尖在样品表面上进行精确扫描的装置主要是压电陶瓷探针架和压电陶瓷样品台。针尖通常由离纯钨丝（W）或铂-铱合金（Pt—Ir）制作，并安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上。在支架上施加电压，便可使针尖沿表面扫描。
（2）扫描隧道显微镜针尖。扫描隧道显微镜针尖的形状、大小和化学纯度直接影响样品与针尖的隧道电流，从而影响扫描隧道显微镜图像的质量和分辨率，甚至对被测材料表面原子的电子态密度也有影响。
目前，要想重复获得具有原子级分辨率的扫描隧道显微镜针尖仍是一个没有完全解决的难题。在扫描隧道显微镜的针尖材料选择上，依然采用铂铱合金或高纯钨丝；在制造工艺上，主要采用机械加工法和碘化学腐蚀法。
（3）针尖趋近系统。扫描隧道显微镜包含一个较大且精密的机械装置，以减少振动并保持针尖—样品间的距离在1nm左右。当针尖向样品接近时，首先进行人工粗调使其间距在0.5～1mm，这时启动系统的“微调”程序。这种微调借助于一个机械或压电装置，在系统“微调”程序的控制下，按照一定的步幅逐渐使针尖向样品表面靠近。当针尖—样品间距足够小时，针尖和样品表面产生隧道电流，系统检测到微小隧道电流的存在，通过反馈回路降低针尖的前进步幅，继续向样品表面慢慢靠近，直至系统检测到的隧道电流与系统设置的隧道电流值一样，此时反馈回路停止针尖的继续前进，针尖向样品表面的趋近程序结束，系统进入下一道程序，针尖开始对样品表面进行扫描成像。
2.电流检测与反馈系统 电流检测与反馈系统是指将扫描隧道显微镜检测到的隧道电流转换成人们能够理解的电子电路系统。电流检测与反馈系统有两种工作模式：恒流或恒高模式。
3.振动隔离系统 扫描隧道显微镜图像的典型起伏幅度约0.01nm，所以外来振动的干扰必须降低到0.001nm以下。扫描隧道显微镜实验的主要振动源有建筑物振动（10～100Hz）、通风管、变压器和电动机（6～65Hz）、人走动（1～3Hz）、声音等。扫描隧道显微镜减振系统的设计主要考虑10～100Hz之间的振动。振动隔离问题就是要设计一个专门的装置使传递到扫描隧道显微镜的振动不至于影响测量精度。振动隔离的方法是提高仪器的固有振动频率以及使用振动阻尼系统。扫描隧道显微镜常用的振动隔离方法有悬挂弹簧、平板弹性体堆垛系统、充气平台。
4.数据处理与显示系统 扫描隧道显微镜的数据处理主要由各个公司设计开发的专用数据处理与控制软件来完成。使用者可以根据实际工作需要，设计不同的操作参数来控制扫描隧道显微镜对样品的扫描与数据处理。扫描结果会直观地显示在计算机屏幕上。
（三）扫描隧道显微镜工作模式
扫描隧道显微镜有恒流和恒高两种基本模式，如图3-48所示。图中横坐标为平面扫描间距，纵坐标的z和I分别表示探针高度和隧道电流。
图3-48 扫描隧道显微镜的恒流扫描模式和恒高扫描模式的工作原理
1.恒流模式 恒流模式是利用一套电子反馈线路控制隧道电路I，使其保持恒定，这样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做相同的起伏运动，高度的信息就会被反映出来。利用计算机及时读取反馈电路中的高度值，将其处理成灰度图像显示在计算机屏幕上，就是扫描隧道显微镜的形貌图，通常越亮代表高度越高，越暗代表高度越低。
恒流模式的优点是可以适应样品表面的较大起伏，获取的图像信息全面，显微图像质量高；缺点是扫描过程必须由反馈电路来调制，扫描速度慢，容易受到低频信号的干扰。
2.恒高模式 在恒高模式中，探针以设定的高度扫描样品表面，由于表面的高低变化，导致探针和样品表面的间距时大时小，隧道电流值也随之改变。即使表面只有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著，甚至接近数量级的变化，这样就可以通过测量电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏。该法是通过直接测量隧道电流值的大小来成像，无需进行反馈电流控制，可实现对样品表面的快速扫描，因而能捕捉到样品表面的一些动态变化。该法的缺点是扫描范围内的样品表面不能起伏太大，否则容易造成样品或探针的损坏。
在这两种基本模式中，恒流模式是扫描隧道显微镜的常用模式，而恒高模式仅适用于对起伏不大的表面进行成像。
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