量子隧穿與掃描隧道顯微鏡

鄭然方

摘要：上世紀(jì)80年代初，IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的賓尼與羅雷爾研制出世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡，打開了人類直接觀察微觀世界的大門。它的發(fā)明使得人們?cè)诩{米尺度上研究物質(zhì)的表面成為可能，這對(duì)于表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義。掃描隧道顯微鏡的基本原理是量子隧穿效應(yīng)，它與經(jīng)典牛頓力學(xué)有著很大的區(qū)別。本文主要介紹量子隧穿效應(yīng)的物理來源以及掃描隧道顯微鏡的若干特點(diǎn)，及其廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：量子隧穿；掃描隧道顯微鏡；應(yīng)用

在顯微鏡出現(xiàn)之前，人們往往通過肉眼來觀察這個(gè)世界。17世紀(jì)列文虎克發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，使得人們觀察細(xì)胞成為了可能。20世紀(jì)30年代，電子顯微鏡的發(fā)明，可以讓人們觀察到比細(xì)胞更小的病毒。但是，這兩種顯微鏡都有著各自的缺陷。光學(xué)顯微鏡不能觀察納米尺度的粒子，而電子顯微鏡發(fā)出高速電子

容易進(jìn)入物質(zhì)深處，不能用來觀察物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)。因此，這兩種顯微鏡都不能用來研究物質(zhì)的表面。掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)，使得人們可以直接觀測(cè)物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)，是顯微技術(shù)上的一次飛躍。

一、量子隧穿效應(yīng)

掃描隧道顯微鏡的基本原理利用了量子隧穿效應(yīng)。量子隧穿效應(yīng)的物理來源是物質(zhì)的波動(dòng)性。我們知道，經(jīng)典粒子遵循牛頓力學(xué)。根據(jù)牛頓力學(xué)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)的粒子所具有的動(dòng)能，其中是粒子的質(zhì)量，是粒子的速度。如果粒子在運(yùn)動(dòng)過程中遇到一個(gè)勢(shì)壘，則粒子能不能穿過勢(shì)壘，取決于動(dòng)能與的相對(duì)大小。若粒子動(dòng)能小于勢(shì)能，粒子一定不能穿過勢(shì)壘。但是，對(duì)于微觀粒子例如電子，情況就完全不同。微觀粒子遵循量子力學(xué)，而在量子力學(xué)里，物質(zhì)本質(zhì)上是一列波，即物質(zhì)波。當(dāng)粒子對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波遇到比自己動(dòng)能大的勢(shì)壘時(shí)，粒子仍然有一定概率穿過勢(shì)壘到達(dá)另一側(cè)。這時(shí)，物質(zhì)波的波幅在勢(shì)壘內(nèi)部是指數(shù)減小的，而對(duì)于固定高度的勢(shì)壘，只要?jiǎng)輭镜膶挾炔淮?，粒子透射的概率還是相當(dāng)可觀的。這種效應(yīng)沒有其經(jīng)典對(duì)應(yīng)，完全是量子力學(xué)中物質(zhì)的波動(dòng)性帶來的，因此這種效應(yīng)也被稱為是量子隧穿效應(yīng)。量子力學(xué)的計(jì)算結(jié)果表明，微觀粒子隧穿勢(shì)壘的概率，其中是一個(gè)常數(shù)，是勢(shì)壘寬度。注意到指數(shù)函數(shù)的變化極為迅速，因此勢(shì)壘寬度的微小變化，會(huì)引起隧穿概率劇烈的變化，掃描隧道顯微鏡就是利用這個(gè)原理制作而成的。

二、掃描隧道顯微鏡的原理

掃描隧道顯微鏡將極細(xì)的金屬探針和樣品表面作為兩個(gè)電極，而中間真空的絕緣層作為一個(gè)勢(shì)壘。那么，這三者就構(gòu)成了一個(gè)量子隧穿的基本器件。當(dāng)針尖和樣品的表面非常接近時(shí)，如果在它們之間再加上一個(gè)小電壓，那么電子就可能由針尖隧穿過真空勢(shì)壘達(dá)到樣品表面形成電流，這個(gè)電流被稱為隧道電流。注意到量子隧穿概率與勢(shì)壘寬度是指數(shù)依賴關(guān)系，因此對(duì)應(yīng)的隧道電流也隨著針尖與樣品表面的距離非常敏感的變化。如果操作針尖沿著樣品表面掃描，隨著表面結(jié)構(gòu)的高低起伏，隧道電流也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)表面起伏0.1nm時(shí)，隧道電流會(huì)變化一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。因此，通過測(cè)量隧道電流的大小，我們可以描繪出樣品表面高低起伏的形貌，從而得到表面分子結(jié)構(gòu)的信息。在實(shí)際的測(cè)量過程中，既可以保持針尖的高度不變?nèi)y(cè)量隧道電流（恒高模式），也可以保持隧道電流不變?nèi)y(cè)量針尖上下移動(dòng)的高度（恒流模式），對(duì)于不同性質(zhì)的樣品，我們可以選取適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ絹碛^察其表面結(jié)構(gòu)。

三、掃描隧道顯微鏡的特點(diǎn)

1、超高的分辨率。原子、分子的尺度一般在0.1-1nm左右。掃描隧道顯微鏡具有原子級(jí)的分辨能力，其水平分辨率小于0.1nm，垂直分辨率小于0.01nm，因此可以清晰地觀察樣品表面的原子、分子結(jié)構(gòu)。例如，利用掃描隧道顯微鏡可以清楚看到硅（111）表面的原子圖像。通過觀察樣品表面的原子排列，掃描隧道顯微鏡可以幫助人們更好的研究表面缺陷、表面吸附、表面重構(gòu)等問題，還可以提供表面電子密度分布、表面勢(shì)壘等信息。另外，由于掃描隧道顯微鏡提供的分辨圖像是實(shí)時(shí)的，這就為研究表面的分子動(dòng)力學(xué)過程提供了方便。從這些例子可以看出，掃描隧道顯微鏡對(duì)于表面科學(xué)的發(fā)展具有里程碑式的意義。

2、多樣的工作環(huán)境。與其它顯微鏡不同，掃描隧道顯微鏡的工作環(huán)境是多樣的。對(duì)于無氧化層的干凈樣品表面，掃描隧道顯微鏡可以直接在大氣環(huán)境下進(jìn)行觀察，而對(duì)于容易氧化的半導(dǎo)體和金屬樣品，在表面清潔后放入真空環(huán)境中，也可以獲得清晰的表面原子結(jié)構(gòu)圖。在研究材料的相變問題時(shí)高溫環(huán)境是必要的，而在研究表面吸附和表面動(dòng)力學(xué)等問題時(shí)低溫環(huán)境也是必要的。掃描隧道顯微鏡可以在低溫、室溫直至高溫的環(huán)境下工作，滿足各種工作環(huán)境的要求，這是其它顯微鏡所不具備的。由于很多化學(xué)反應(yīng)是在溶液中發(fā)生的，專門在溶液環(huán)境中探測(cè)的掃描隧道顯微鏡已經(jīng)研制成功，用來研究溶液中化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。上述多樣的工作環(huán)境，為掃描隧道顯微鏡研究不同學(xué)科、不同層次的問題提供了極大的便利。

3、廣泛的應(yīng)用前景。掃描隧道顯微鏡在探測(cè)過程中對(duì)于樣品是無傷的，因此可以有各種各樣的應(yīng)用。利用針尖與材料表面分子的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)單原子或單分子的操縱。進(jìn)一步的，通過針尖可以對(duì)分子內(nèi)的化學(xué)鍵進(jìn)行加工處理，使單分子的化學(xué)反應(yīng)成為了可能。近幾年來，利用掃描隧道顯微鏡研究DNA分子螺旋鏈輸運(yùn)特性的實(shí)驗(yàn)正在如火如荼的展開，這豐富了人們對(duì)于生命遺傳物質(zhì)DNA的認(rèn)識(shí)。因此，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)中，掃描隧道顯微鏡正在發(fā)揮越來越重要的作用，應(yīng)用前景也越來越廣泛。

四、結(jié)語

在掃描隧道顯微鏡發(fā)明至今的30多年里，納米科學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。作為觀察納米世界的技術(shù)手段，掃描隧道顯微鏡極大的豐富了人們對(duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)。分子操縱、分子加工、分子器件等技術(shù)越來越成熟，相信新一代的技術(shù)變革已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)了。

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