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图目1

第一章 综述1

照片　目录1

1．IBM苏黎世（Zurich）实验室足球队1

1-1　扫描隧道显微镜示意图1

第一节螺蛳壳里的扫描隧道显微镜1

2．不起眼的小玩意震撼学术界2

1-2　线扫描像和灰度像2

第二节隧穿：基本模型3

3．触及原子与分子的“上天梯”3

4．Si（111）-7×7结构的细节4

1-3　经典理论与量子理论之间的差异4

1-4一维的金属-真空-金属隧道结5

5．新生的Si（111）表面6

1-5　演示真空隧穿的设备8

1-6　穿过可控真空间隙的隧道8

6．Si（111）-2×1表面的偏压相关像8

1-7　STM中侧向分辨率的估算9

第三节按原子尺度探测电子结构10

7．Si（100）-2×1表面的大范围形貌像10

1-8　道尔顿的原子和一个原子中的电子态11

8．Si（100）-2×1表面上缺陷的偏压相关像12

1-9实空间中分辨的Si（111）-7×7结构12

一、半导体12

1-10　硅的晶体结构13

9．Ge（111）-2×1表面的偏压相关像14

1-11　新生的Si（111）表面及其再构14

1-12　Si（111）－2×1表面的STM像15

10．在Si（100）上亚稳的三维Ge岛16

1-13以H钝化的Si（111）表面的STM像16

1-14　Si（111）－7×7的电子态与DAS模型17

11．氢覆盖的Si（100）18

1-15　不同偏压下Si（100）表面的STM像18

二、金属19

1-16　Cu（111）上观察到原子级分辨的像20

三、有机分子20

12．由STM观察到的个别π与π＊分子轨道20

1-17　苯分子的STM像21

四、层状材料21

13．Ge（111）表面大范围的STM像21

第四节空间分辨的隧道谱22

1-18　4.2K时4Hb-TaS2的4帧STM像22

14．Ge（111）－c（2×8）表面的细节23

1-19　金属-绝缘体-金属隧道结23

15．Si（100）上Sb4团簇的热转化24

1-20　隧道理论的Bardeen方法24

16．针尖引起Si（100）上Sb4团簇的转化26

1-21　经典隧道结的隧道谱26

1-22　Si（111）－2×1的局域隧道谱27

一、Stoll公式28

第五节侧向分辨率：早期理论28

17．1T-TaS2表面的三个恒流形貌像28

1-23　STM分辨率的自由电子金属模型29

1-24　Stoll公式与数值计算的比较29

18．1T-TaS2的三个恒高电流像30

二、s-波针尖模型30

1-25　s波针尖模型31

1-26　费密能级LDOS起伏幅度的一般特征32

19．1T-TaS2中电荷密度波的畴结构32

20．实空间中观察的准晶对称性34

第六节STM中原子分辨率的起源34

1-27　Al（111）STM像的定量结果35

1-28　STM成像机理的微观考察36

21．由化学汽相淀积的Si（100）表面外延生长36

1-29W团簇的电子态37

22．氧与Si（100）表面的初始反应38

1-30金属表面原子分辨率的起源38

第七节针尖-样品相互作用效应39

23．STM观察的有机分子40

1-31势垒下降对波函数的效应40

第八节历史话题41

24．绝缘表面的AFM像42

一、个别原子的成像42

1-32场离子显微镜（FIM）的示意图42

25．金属表面STM分辨率的进展：Au（110）43

1-33场离子显微术的成像机理43

1-34W针尖的FIM像（T.T.Tsong）44

1-35FIM观察到的W原子定向迁移45

26．Au（111）的原子分辨STM像45

27．Au（111）-22×？再构的大尺度像46

二、金属-真空-金属隧穿46

1-36形貌描绘仪47

28．Ni与Fe在Au（111）上的成核与生长47

1-37用形貌描绘仪获得的光栅形貌像48

1-38场发射的Fowler-Nordheim方程49

29．针尖诱发Au（111）人字形结构的调整49

1-39从场发射到真空隧穿的过渡50

30．用STM针尖操纵个别原子51

1-40势能曲线及隧道特性52

31．“世界真小”：西半球的微型地图53

1-41MIM隧道实验中微定位部件53

1-42测量到的电流对数值与电极间距之间的关系54

第一部分成像机理57

第二章 原子尺度的隧穿57

第一节引言57

2-1隧道电导与力之间的相关性58

第二节微扰逼近法59

第三节镜像力60

2-3电子位于隧道势垒内部时的镜像势61

2-2电子靠近金属表面的镜像势61

2-4测到的隧道电导和势垒62

第四节方势垒问题63

2-5经典禁戒和经典许可的势垒64

2-6穿过薄势垒的量子透射65

一、表观势垒高度66

二、测不准原理的考虑67

2-7按精确解计算的表观势垒高度67

第五节修改的Bardeen方法68

一、跃迁几率69

2-8量子透射的微扰方法70

二、修改的Bardeen积分72

三、误差估计73

四、波函数校正74

五、与精确解的比较75

2-9方势垒问题的微扰处理75

2-10方势垒问题的不同近似方法76

第六节镜像力对隧穿的影响77

第一节引言79

3-1隧穿矩阵元的推导79

第三章 隧穿矩阵元79

第二节针尖波函数80

第三节格林函数与针尖波函数82

第四节求导规则：个案84

第五节求导规则：通例87

3-2求导规则的推导：通例88

第六节一种直观的解释91

第四章 表面的波函数93

4-1表面波函数的三种类型93

第一节表面波函数的类型93

第二节凝胶模型94

4-2凝胶模型中电荷分布与表面势96

4-3凝胶模型中像平面的位置97

4-4凝胶模型预言的表面能99

第三节表面态的概念100

4-5表面态101

第四节场发射谱103

4-6场发射谱仪的示意图103

4-7W（112）和W（100）的场发射谱104

4-8Mo（100）的场发射谱105

第五节光电发射研究106

4-9光电子发射实验的示意图106

4-10不同态的光电子与角度的关系108

第六节原子束衍射109

4-11W（001）的光电子发射与反光电子发射研究109

4-12原子束衍射111

一、Esbjerg—Nφrskov近似111

4-13原子束散射的经典转向点112

二、Harris和Liebsch方法112

三、原子电荷叠加 113

第七节第一性原理的理论研究114

一、密度泛函形式114

二、固体体内的电子结构116

4-14计算的Pt电子结构117

三、表面电子结构118

4-15Si（111）的恒定电荷密度等值图119

4-16W（001）与Mo（001）的表面态电荷密度120

4-17W团簇近费密能级处的电子态121

第一节　STM像的类型122

第五章 晶体表面成像122

第二节　具有一维起伏的表面124

一、主要布洛赫波近似124

5-1具有一维周期性的金属表面124

二、形貌像126

5-2不同针尖态引起的起伏增强127

第三节　具有四方对称性的表面129

5-3具有四方对称性的表面129

5-4Cu（001）STM像的起伏幅度131

第四节　具有六角或三角对称性的表面132

5-5密堆积金属表面的几何结构132

5-6六角形余弦函数及其互补函数133

5-7Al（111）膜的电荷密度等值线图135

5-8Al（111）上观察到STM起伏的解释136

第五节　起伏反转137

5-9几个针尖电子态的LDOS138

5-10不同针尖态的增强因子140

5-11当针尖态改变使起伏反转时Au（111）的形貌图141

第六节　s波针尖模型142

第六章 原子态的成像147

第一节　Slater原子波函数147

第二节　STM看到的原子态轮廓149

一、表观半径与表观曲率150

6-1球形电导分布的表观半径151

6-2作为针尖-样品间距函数的表观半径152

二、与实验的比较153

6-3STM像的实验轮廓154

第三节　Na原子针尖模型154

6-4针尖为Na原子的像的轮廓155

第四节　表面的像：独立轨道近似156

一、傅里叶系数的一般表达式157

6-5具有四方对称性的密堆积表面157

二、应用于Si（111）－2×1的像161

6-6Si（111）-2×1的元胞161

三、应用于密堆积金属表面163

6-7Si（111）-2×1表面STM像的起伏幅度163

6-8六角密堆积表面164

6-9六角密堆积表面的起伏幅度166

第七章 原子力与隧穿167

第一节　STM中原子力效应167

第二节　作为隧道现象的吸引原子力169

7-1氢分子离子中相互作用的3种体制170

一、互作用的三种体制171

二、范德瓦耳斯力171

7-2氢分子离子在大距离时的势能曲线172

7-3氢分子离子的微扰处理173

三、作为隧穿矩阵元的共振能174

7-4氢分子离子的波函数176

四、修改的Bardeen积分的计算177

7-5校正因子的计算178

五、斥力180

第三节　吸引的原子力与隧道电导181

7-6STM中吸引原子力的微扰理论183

7-7针尖几何形状的影响186

7-8STM中力的理论值与测量值的比较187

第一节　样品波函数的局域修饰189

第八章 针尖与样品的互作用189

一、动量空间的观点190

8-1间隙中电子结构的局域修饰190

二、测不准原理与扫描隧道谱191

一、起伏幅度的力学放大192

第二节　针尖与样品表面的形变192

8-2形变对起伏幅度的放大193

二、Pethica机理194

8-3起伏依赖于隧道电导的关系195

三、引力的起伏及其效应195

四、短距离时STM的稳定性197

8-4Al针尖与Al样品之间的原子力198

8-6在石墨的STM成像中观察到的滞后现象200

8-5STM的稳定性与表面的刚性200

五、隧道势垒测量中的力200

8-7在1T-VSe2中测得的表观势垒高度201

8-8测得的表观势垒高度随间距的变化203

第二部分　测量设备206

第九章 　压电扫描器206

第一节　压电效应206

9-2压电逆效应207

9-1压电效应207

9-3压电效应的定义208

第二节　锆钛酸铅陶瓷210

9-4PbZrO3-PbTiO3的压电性质与组分的关系211

9—5压电系数随温度的变化212

第三节　三脚架扫描器214

9—6　三脚架扫描器214

第四节　双压电晶片215

9-7　双压电晶片215

9-8　双压电晶片的偏转216

第五节　管形扫描器217

9-9　管形扫描器217

9-10　管形扫描器的偏转219

9-11　单极化装置中管形扫描器的偏转220

9-12　解析表达式的精准性221

第六节　原位测试与标定222

9-13　具有对称连接的管形扫描器的双重压电响应223

9-14　具有反对称连接的管形扫描器的双重压电响应224

9-15　管形扫描器双重压电响应的测量电路225

9-16　管形扫描器测到的双重压电响应225

第七节　共振频率226

第八节　退极化压电元件的再极化227

第十章 振动隔离229

第一节　基本概念229

10-1　具有一个自由度的振动系统及其传递函数230

第二节　环境振动234

10-2Hall-Sears也震计（HS-10-1）的示意图235

和工作机理235

10-3　实验室楼面的振动谱235

一、二级系统的分析236

第三节　悬挂弹簧236

二、弹簧的选择237

10-4　二级悬挂弹簧振动隔离系统237

10-5　二级振动隔离系统的传递函数238

三、涡流阻尼器239

10-7阻尼常数计算中的无量纲常数240

10-6　涡流阻尼器240

第四节　平板-弹性体堆垛系统240

10-8　堆板系统及其传递函数241

第五节　气动系统241

第一节　电流放大器243

第十一章　电子仪器与控制243

11-1电流放大器的两种基本型式244

一、热噪声与散粒噪声244

二、频率响应246

11-2　宽带电流放大器247

三、颤噪效应248

四、对数放大器249

11-3　输入电容对输出噪声的影响249

第二节　反馈电路250

11-4　对数放大器250

一、稳态响应251

11-5　STM反馈网络示意图252

二、瞬态响应253

11-6　具有积分补偿的简单反馈电子线路255

11-7　STM反馈系统的瞬态响应257

第三节　计算机接口258

一、自动化逼近259

11-8　计算机控制的基元259

第十二章　粗调定位器与STM设计261

第一节　“小爬虫”261

12-1　压电步进器——“小爬虫”262

第二节　杠杆运动——缩尺器263

12-2　袖珍STM263

12-3　具有双作用杠杆的STM264

第三节　单管STM265

12-4　单管STM266

第四节　弹簧运动缩尺器267

12-5　具有弹簧运动缩尺器的STM267

12-6　惯性步进器268

第五节　惯性步进器268

12-7　同心管STM270

第六节　“尺蠖”270

12-8　“尺蠖”271

12-9　具有“尺蠖”的STM272

第十三章　针尖的处理273

第一节　引言273

第二节　电化学法腐蚀针尖274

13-1　钨针尖的电化学腐蚀275

13-2　针尖曲率半径与切断时间的关系276

13-3　刚腐蚀好的W针尖的FIM像277

第三节　非原位针尖处理278

一、退火278

13-5　针尖退火方法279

13-4　W-O系统的相图279

13-6　场蒸发形成针尖280

二、场蒸发与可控淀积280

13-7电场下退火的针尖处理281

三、用电场退火281

四、原子的金属离子发射282

13-8　原子的金属离子发射与纳米针尖形成283

一、高电场处理284

13-9电场下针尖的原位锐化284

第四节　原位针尖处理284

13-10　电场锐化针尖的机理285

二、受控碰撞286

13-11　可控碰撞的针尖锐化机理286

第十四章　扫描隧道谱287

第一节　用于扫描隧道谱的电子仪器287

14-1　用于局域隧道谱的电子设备288

一、针尖DOS的作用289

第二节　观察到的隧道谱的本质289

二、测不准原理的考虑290

14-2　针尖电流的“照射面积”291

三、有限温度效应293

14-3　局域隧道谱与距离的关系293

第三节　用于谱研究的针尖处理294

14-4　用于隧道谱的针尖处理法295

第四节　Feenstra参量296

14-5　W的几个低密勒指数的表面结构296

14-6归一化隧道电导率的平均效应298

第五节　非原位确定针尖的DOS299

14-7　用可变间隙法的隧道谱299

14-8　具有单个突起原子的W针尖的实验场发射谱300

第六节　针尖DOS的原位确定301

14-9　记录下来的自发针尖再构的事例302

14-10　隧道谱的退卷积305

第十五章　原子力显微术306

第一节　引言306

15-1　原子力显微镜（AFM）307

第二节　针尖与悬臂308

15-2　与针尖一体的氮化硅悬梁的制造309

一、真空隧穿310

第三节　偏转的探测方法310

15-3　用于原子力显微术的微悬梁310

15-4　真空隧穿法检测悬梁的偏转311

二、力学共振311

15-5　通过力学共振检测力的梯度312

三、光学干涉测量法312

15-6　具有光学干涉仪的原子力显微镜313

15-7　利用光束偏转法检测悬梁偏转314

四、光束偏转314

15-8　超高真空条件下获得的NaCl的AFM像315

15-9　AFM的噪声特性316

第四节　液-固界面的AFM316

15-10　AFM用于电化学研究的流体池317

15-11　水下Au（111）的AFM像317

第十六章　应用实例318

第一节　表面结构的确定318

一、周期性结构318

16-1　Au（111）再构的He散射花样319

16-2　再构Au（111）表面的假想模型320

16-3　再构Au（111）的原子分辨STM像321

二、非周期性结构322

16-4　Au（111）的人字呢形再构和U形连接322

第二节　成核过程与晶体生长323

16-5　Au（111）上U形联接的原子结构324

16-6　Au（111）上0.11单分子层Ni的STM像325

第三节　超导体的局域隧道谱326

16-7　STM观察到的Abrikosov磁通晶格327

16-8　涡旋附近的隧道电导327

第四节　表面化学328

16-9　局部氧化的硅表面的STM形貌图329

16-10　带氧的Si（111）的形貌图和局域谱329

16-11氢化Si（100）表面的各种可能结构331

16-12　暴露氢以后Si（100）表面的形貌图331

16-13　STM对有机分子的成像332

第五节　有机分子332

第六节　电化学333

16-14　Au电极上Cu层的有序结构334

16-15　不同电解液中Au（111）上Cu吸附层的AFM像335

16-16　病毒感染活细胞的AFM观察336

第七节　生物学应用336

附录A　实波函数338

A-1　实球谐函数341

附录B　格林函数342

附录C　球变贝塞尔函数344

C-1球（形）变（形）贝塞尔函数346

D-1具有二维周期性的表面348

附录D　二维傅里叶级数348

附录E　平面群与不变函数352

E·1　平面群的简要综述352

E·2　不变函数353

E-1不同平面群之间的关系354

E-2平面群Ⅰ：单斜、正交和四方晶系的平面群355

E-3平面群Ⅱ：六角晶系的平面群356

E-4Si（110）表面：平面群p2gm的一个例子357

F·1　正应力与正应变359

附录F　弹性理论基础359

F-1法向应力与法向应变360

F·2　剪应力与剪应变360

F-2剪应力与剪应变361

F·3　梁的小偏转361

F-3梁的弯曲362

F-4一段梁的形变363

F·4　梁的振动364

F-5梁的振动365

F·5　扭转366

F-6圆杆的扭转366

F·6　螺旋弹簧367

F-7螺旋弹簧的刚性368

F·7　接触应力：赫兹公式368

F-8接触应力与接触应变369

附录G　拉普拉斯变换的简表370

H-1运算放大器（运放）371

附录H　运算放大器371

H-2运放的两个简单应用372

参考文献374