掃描隧道顯微鏡簡介

齊 磊，曹劍英

（集寧師范學(xué)院 物理系，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

1 掃描隧道顯微鏡（STM）簡介

在探索微觀世界的過程中，人類就通過不懈努力希望觀測到物質(zhì)的微觀世界.17世紀，世界上第一臺光學(xué)顯微鏡發(fā)明成功，并且利用這臺顯微鏡，人類首次觀察到了細胞的結(jié)構(gòu)，從而開始了人類使用儀器研究微觀世界的新時代[1].但是，由于受光波波長的限制，光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達到10-6米—10-7米.20世紀初，利用電子透鏡使電子束聚焦的原理，成功的發(fā)明了電子顯微鏡，它的分辨本領(lǐng)達到了10-8米.有了電子顯微鏡，比細胞小的多的病毒也露出了原形.增強了人們觀察微觀世界的能力.

1982年，格爾德·賓寧（G．Binning）及海因里?！ち_雷爾（H．Rohrer）在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明了，世界上第一臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）.兩位發(fā)明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學(xué)獎[2].利用量子力學(xué)中隧道效應(yīng)的掃描隧道顯微鏡，它的分辨本領(lǐng)甚至達到了10-10米.

2 掃描隧道顯微鏡（STM）的原理

根據(jù)量子理論中的隧道效應(yīng)，電子有幾率穿過勢壘，而形成隧道電流.掃描隧道顯微鏡（STM）就是利用這一原理制成的.將被研究的物質(zhì)（必須是導(dǎo)體）表面和探針作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離介于1nm左右時，在外加電壓的作用下，電子會穿過這個因為距離形成的勢壘而向另一端運動，形

其中，k、l是常數(shù)；V是施加在探針和樣品之間的電壓；Φ是探針和樣品的平均功函數(shù)，它和探針、樣品的材料功函數(shù)有關(guān)，Φ≈Φ1+Φ2；S是探針和樣品間的距離.通過對上式的分析可以發(fā)現(xiàn)，對于確定的探針和樣品，它們的平均功函數(shù)Φ是一個定值，那么隧道電流I是電壓V和距離S的一個函數(shù).探針和樣品表面的距離S對隧道電流的影響是很明顯的；因為它是一個指數(shù)函數(shù)，即使是距離S的一個微小變化，電流卻將變化一個甚至幾個數(shù)量級.

因此，保持電壓V的恒定；利用壓電陶瓷材料，控制針尖在樣品表面X-Y方向的掃描；通過步進電機，控制探針和樣品表面間的距離S（1nm左右），使探針位于樣品表面某一個高度上；通過微機記錄不同時刻的電流，并且按照電流的強弱，用不同的顏色加以區(qū)分（大電流用淺色表示，小電流用深色表示）.如圖1所示，給壓電陶瓷施加一個偏向電壓，壓電陶瓷將帶動探針在樣品表面沿X方向（或Y方向）做微小定向移動.當(dāng)移動的探針遇到原子時，探針和樣品間的距離S減小，電流I明顯增加；當(dāng)移動的探針位于相鄰原子的間隙時，探針和樣品間的距離S增加，電流I明顯減小.最后，隨著探針在樣品表面的逐行的掃描，微機會將探針在不同位置時的電流記錄下來，并用不同的顏色加以區(qū)成隧道電流I.這個電流滿足如下關(guān)系：分.這樣，我們就得到了一張反映樣品表面的不同位置，不同顏色的圖像.而這個圖像恰恰反映了樣品表面的微觀結(jié)構(gòu).如圖2所示，通過這個圖像，我們可以得到樣品表面原子狀態(tài)的有關(guān)信息.

圖1 原理示意圖

圖2 石墨樣品表面微觀結(jié)構(gòu)

3 掃描隧道顯微鏡（STM）的應(yīng)用

對于光學(xué)顯微鏡而言，光的衍射現(xiàn)象，導(dǎo)致小于光的波長的一半的細節(jié)在顯微鏡下很難分辨.而利用量子力學(xué)中隧道效應(yīng)制成的掃描隧道顯微鏡(STM)卻具有更強的分辨能力，掃描隧道顯微鏡的原理使它在觀測物質(zhì)表面微觀結(jié)構(gòu)方面成為非常有效的工具.掃描隧道顯微鏡的優(yōu)點是很顯見的：（1）掃描隧道顯微鏡的分辨本領(lǐng)高，可以達到10-10米；（2）掃描隧道顯微鏡可以對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進行無損探測，避免樣品受到破壞或者樣品性狀發(fā)生變化；（3）可以利用掃描隧道顯微鏡實現(xiàn)單原子的移動和提取操縱.通過掃描隧道顯微鏡，我們可以直觀地看到樣品表面的微觀結(jié)構(gòu)，進而分析樣品表面的化學(xué)和物理性質(zhì).例如：利用掃描隧道顯微鏡，生物學(xué)家們研究單個的蛋白質(zhì)分子或DNA分子；材料學(xué)家們考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子器件工程師們設(shè)計厚度僅為幾十個原子的電路圖等.在掃描隧道顯微鏡問世之前，這些微觀世界還只能用一些煩瑣的、往往是破壞性的方法來進行觀測.

在化學(xué)和生物學(xué)方面：通過放置在超高真空中掃描隧道顯微鏡，可以觀測固體表面金屬原子的吸附結(jié)構(gòu).在化學(xué)各學(xué)科的研究方向中，掃描隧道顯微鏡在電化學(xué)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，并且制成了適合研究電化學(xué)領(lǐng)域的掃描隧道顯微鏡.在研究有機分子方面，利用掃描隧道顯微鏡在微機上形成的直觀圖像，可以觀察到有機分子的3維結(jié)構(gòu).基于此，在生物學(xué)領(lǐng)域中，觀察DNA、重組DNA及HPI-蛋白質(zhì)等在載體表面吸附后的外形結(jié)構(gòu)均通過掃描隧道顯微鏡來觀測.

在納米材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用：納米材料是指，材料基本結(jié)構(gòu)單元至少有一維處于納米尺度范圍(一般在11100nm)，并由此具有某些新特性的材料.對于納米材料的制備，是當(dāng)今社會研究的一個熱點問題.現(xiàn)今，納米材料的制備方法主要有三種：（1）惰性氣體下蒸發(fā)凝聚法；（2）化學(xué)方法；（3）物理氣相法和化學(xué)沉積法的綜合方法.人們可以通過掃描隧道顯微鏡控制單個原子的行為.使單原子在樣品表面被隨意的提取、移動和放置.如果將適當(dāng)?shù)拿}沖電壓施加在針尖和樣品表面之間，那么在探針和樣品間產(chǎn)生交替變化的電場.強電場的蒸發(fā)電場的蒸發(fā)作用，使樣品表面的原子可以被吸附到針尖上，并且使單原子可以隨針尖移動，沉積.通過對單原子的控制，人們可以制作大容量存儲器.

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，掃描隧道顯微鏡（STM）作為觀測微觀物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)和操控單原子的有力工具，必將起到其重要的作用，并在此過程中得到長足的發(fā)展.

〔1〕程舒雯.掃描隧道顯微鏡性能優(yōu)化及實用化研究[D].浙江大學(xué),2003.

〔2〕張振宇,李鴻琦.基于納米壓痕儀的薄膜力學(xué)性能納米測試與表征研究[D].天津大學(xué),2005.