扫描隧道显微镜的结构

　　扫描隧道显微镜是利用探针与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用，来测量表面原子结构和电子结构的显微新技术，它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命。扫描隧道显微镜通常包括精细定位扫描系统(包括探针和扫描头)、前置放大器、反馈系统、粗步进装置(步进器)、隔音系统(通常在非真空扫描隧道显微镜中使用)、减震系统和控制与成像系统。

扫描隧道显微镜探针与扫描头

　　根据扫描隧道显微镜基本原理，要求探针和样品具有导电能力，通常扫描隧道显微镜使用金属钨或者铂铱合金作为探针。这两种探针硬度较高，在高速扫描时针尖不易发生晃动导致成像质量下降。

　　目前主要有两种制备探针的方法：机器剪切和电化学腐蚀。机器剪切是通过对探针原材料用机械设备进行切削，从而制成结构精细的探针。电化学腐蚀是通过把针尖原材料和金属电极作为两极，浸于强电解质溶液里，通过改变电流和电压，从而对针尖原材料进行腐蚀，制成探针。

　　扫描隧道显微镜的扫描头需要具有极高的定位精度，通常由压电陶瓷材料制成。diyi台扫描隧道显微镜中使用的是三脚架形压电陶瓷扫描器。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型等几种。

扫描隧道显微镜减震系统

　　由于扫描隧道显微镜工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对稳定性产生影响。必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是Z主要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与扫描隧道显微镜的固有频率入手。

　　外界震动如建筑物的震动，通风管道、变压器和马达的震动、工作人员所引起的震动等，其频率一般在100Hz之间，因此隔绝震动的方法主要是靠提高扫描隧道显微镜的固有频率和使用震动阻尼系统。

　　扫描隧道显微镜的底座常常采用金属板(或大理石)和橡胶垫叠加的方式，其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响，其固有阻尼一般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。除此之外，扫描隧道显微镜中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式。金属弹簧的弹性常数小，共振频率较小(约为0.5Hz)，但其阻尼小，常常要附加其它减震措施。

　　在一般情况下，以上两种减震措施基本上能够满足扫描隧道显微镜的减震要求。某些特殊情况，对扫描隧道显微镜性能要求较高时，还可以配合诸如磁性涡流阻尼等其它减震措施。测量时，探测部分(探针和样品)通常罩在金属罩内，金属罩的作用主要是对外界的电磁扰动、空气震动等干扰信号进行屏蔽，提高探测的准确性。

扫描隧道显微镜电子学控制系统

　　扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，之后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。

　　扫描隧道显微镜电子反馈系统Z主要的是反馈功能，采用的是模拟反馈系统，即针尖与样品之间的偏压由计算机数模转换通道给出，再通过X、Y、Z偏压控制压电陶瓷三个方向的伸缩，进而控制针尖的扫描。

　　扫描隧道显微镜电子学控制系统中的一些参数，如隧道电流、针尖偏压的设定值，反馈速度的快慢等，都随着不同样品而异，因而在实际测量过程中，这些参量是可以调节的。一般在计算机软件中可以设置和调节这些数值，也可以直接通过电子学控制机箱上的旋钮进行调节。

扫描隧道显微镜在线扫描控制和离线数据处理软件

　　在扫描隧道显微镜的软件控制系统中，计算机软件所起的作用主要分为在线扫描控制和离线数据分析两部分。

　　在线扫描控制：

　　1、参数设置

　　在扫描隧道显微镜实验中，计算机软件主要实现扫描时的一些基本参数的设定、调节，以及获得、显示并记录扫描所得数据图像等。计算机软件将通过计算机接口实现与电子设备间的协调共同工作。

　　2、马达控制

　　扫描隧道显微镜软件控制马达使针尖逼近样品，首先要确保电动马达控制器的红色按钮处于弹起状态，否则探头部分只受电子学控制系统控制，计算机软件对马达的控制不起作用。马达控制软件将控制电动马达以一个微小的步长转动，使针尖缓慢靠近样品，直到进入隧道区为止。

　　扫描隧道显微镜马达控制的操作方式为：“马达控制”选择“进”，点击“连续”按钮进行连续逼近，当检测到的隧道电流达到一定数值后，计算机会进行警告提示，并自动停止逼近，此时单击“单步”按钮，直到“Z电压”的数值接近零时停止逼近，完成马达控制操作。

　　离线数据分析：

　　扫描隧道显微镜离线数据分析是指脱离扫描过程之后，针对保存下来的图像数据的各种分析与处理工作。常用的图象分析与处理功能有：平滑、滤波、傅立叶变换、图像反转、数据统计、三维生成等。