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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LDOS 138

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STM 263

12-3　具有双作用杠杆的STM 264

第三节　单管STM 265

12-4　单管STM 266

第四节　弹簧运动缩尺器 267

12-5　具有弹簧运动缩尺器的STM 267

12-6　惯性步进器 268

第五节　惯性步进器 268

12-7　同心管STM 270

第六节　“尺蠖” 270

12-8　“尺蠖” 271

12-9　具有“尺蠖”的STM 272

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DOS 299

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AFM 316

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