扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，简称STM)最早于1982年由葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士率先研制成功，并在世界上首次观察到原子的实空间图像。之后，在STM的基础上又发展了多种形式的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)。目前，STM等已成为纳米科技工作者不可缺少的观察和研究工具，在物理学、化学、材料科学、生物学、微电子学及光电子学等领域得到了广泛应用。因此，有关STM的研究不仅具有重要的理论意义和科学价值，而且具有广阔的应用前景。 STM仪器本身具有诸多优点，如原子级或纳米级的分辨率、可获得样品表面的实空间图像、能够对单原子进行操纵等。但是国内现有的STM大多依赖国外进口，这些STM包含了真空腔等高级部件，因此价格昂贵，且维护要求极其严格。同时这些进口的STM都采用英文界面对软、硬件进行操作，扫描时所要设置的参数繁多，使得仪器操作极其繁琐。这些缺点都限制了STM作为一项科研仪器的推广和应用。本课题旨在研究一种高性能、实用化、简易型的STM，使扫描隧道显微技术能够更简单、方便、有效地应用到各个科学领域。 本文的工作、研究特色和创新之处主要包括： 1．对隧道效应理论进行了深入探讨，并以金属—绝缘层—金属结为模型，讨论了隧道效应中的I—V关系以及针尖一样品间的隧道电流表达式。 2．设计完成开放环境下的扫描隧道显微镜探头，实现了对环境振动的隔绝和电噪声的屏蔽。在此基础上，设计并完成CCD显微监测系统，实现了对样品一探针逼近过程的实时监控，并可实现在一定范围内对样品扫描区域的任意选择。 3．设计完成包含有前置放大电路、PID反馈和扫描控制电路、高压放大电路等扫描控制电路在内的扫描控制系统，完成各部分电路性能的测试及功能调试，实现反馈和扫描控制。 4．优化扫描控制和数据采集程序，完成扫描参数设置、扫描图像的实时显示和基本的图像处理功能，例如三维立体显示。实现了通过计算机实时控制STM系统进行扫描和数据采集。 5．对整个系统进行了联合调试，对多种样品进行了扫描实验以测试系统综合性 浙江大学硕士学位论文能，成功获得了高定向热解石墨（Highly Oriented Pyrolytic Graphite，简称 HOPG）的原子图像和纳米结构图像以及其他一些样品表面的原子图像。证明了该系统能够在开放环境下较为稳定地工作，并能达到以下基本性能参数： ．分辨率：横向 0．In－m，纵向 0刀Inm ．扫描范围：2 nLm X 2 urn～2000 urn X 2000 tun ．最大图像扫描速率：l幅／2秒 ．图像象素点：180X 180／幅，400X400／幅 ．图像存储格式：BMP文件 ．图像处理：图像切割、图像平滑、图像伪彩色添加、三维立 体显示等 在此基础上，该STM系统将成本保持在较低的水平，操作简单易学，不需专人维护，较好地实现了本文工作的预期目标。