扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜
固体或液体表面的性质和其内部的性质有着根本的不同。

这是因为表面的微观结构，如原子的排列与电子云的分布等与内部的微观结构不同。

现在人们已注意到从实验和理论两方面来研究物质表面的性质，并由此形成了一门新型科学—— 表面物理。

大家知道，电子显微镜是近代用于研究材料微观结构的有力工具，但由于高速电子会穿进样品深处，所以并不适用于研究材料的表面结构。

1981 年瑞士苏黎世 IBM 公司研究实验室的两位科学家宾宁（G.Binning）和罗赫尔（H.Rohrer）研制成了一种扫描隧穿显微镜（STM），可以很精确地观察材料的表面结构，因而成了研究表面物理和其他实验研究的重要显微工具。

由于这一卓越贡献，宾宁和罗赫尔二人和电子显微镜的发明者鲁斯卡（E.Ruska）分享了 1986 年度的诺贝尔物理奖。

1988 年我国科学家设计制成了新型的 STM ，其分辨率达到原子级，图象质量达到国际水平，为在我国广泛开展扫描隧穿显微学的研究工作，为进一步探索微观世界的奥秘，提供了必要的物质基础。

STM 的特点是不用光源也不用透镜，其显微部件是一枚细而尖的金属（如钨）探针。

它的工作原理是量子隧道效应，其装置与原理示意图如图 1 所示。

在样品的表面有一表面势垒阻止内部的电子向外运动。

但正如量子力学所指出的那样，表面内的电子能够穿过这表面势垒，到达表面外形成一层电子云。

这层电子云的密度随着与表面的距离的增大而按指数规律迅速减小，这层电子云的纵向和横向分布由样品表面的微观结构决定，STM 就是通过显示这层电子云的分布而考察样品表面的微观结构的。

使用 STM 时，先将探针推向样品，直至二者的电子云略有重叠为止，这时在探针和样品间加上电压，电子便会通过电子云形成隧穿电流。

由于电子云密度随距离迅速变化，所以隧穿电流对针尖与表面间的距离极其敏感，例如，距离改变一个原子的直径，隧穿电流会变化一千倍。

当探针在样品表面上方全面横向扫描时，根据隧穿电流的变化，利用一个反馈装置控制针尖与表面间保持恒定的距离。

把探针尖扫描和起伏运动的数据送入计算机进行处理，就可以在荧光屏或绘
图机上显示出样品表面的三维图象，和实际尺寸相比，这一图象可放大到 1 亿倍。

为了显示表面的微观结构，要求探针在样品上方移动时，针尖与表面间距离小于 1nm ，同时还要保证其稳定性，且精确度小于 0.01nm，这些都是极为严格的要求。

为此，探针的驱动头必须高度精确，整个设备要全面防止外界振动的干扰，而探针尖也应在刚性和稳定性容许的范围内，尽可能做得尖锐。

探针尖的精密定位和微小步进移动巧妙地利用了压电晶体的电致伸缩性质。

它可以使针尖每一步只移动 10nm 到 100nm 之间的距离。

排除外界振动的干扰采用了弹簧支撑和涡电流阻尼的办法。

目前，STM 的纵向（竖直）分辨本领为千分之几纳米（原子半径为十分之几纳米），横向（水平）分辨本领和探针与样品间的绝缘介质以及针尖端部的尺寸有关。

在真空中进行隧道贯穿时，横向分辨本领一般可达 0.6 ～ 1.2nm 。

当针尖端部仅为一个原子时，分辨本领可达
0.2nm，这个原子通常来自样品本身，是在样品和探尖间的强电场作用下，由样品飞出牢牢地附着到针尖上的。

目前用 STM 已对石墨、硅以及金晶体等的表面状况进行了观察，取得了很好的结果。

图 2 是 STM 的石墨表面碳原子排列的计算机照片。

STM 对超导体表面的电子结构也进行了研究。

STM 还能在常压空气中工作，这时虽然分辨本领有所下降，但仍不失为一种理想的研究工具，可用来研究工业材料的表面结构。

在使用 STM 观察样品时，最突出的一点是不会损坏样品，而且甚至可以用水充当探针尖与样品间的绝缘层，这对研究生物样品或生命过程极其有利。

这也是 STM 优于电子显微镜的一个地方。

STM 不但被用来观察材料表面的原子排列以更深入地“认识世界”，而且已用来配置原子“改造世界”了。

可以用它的针尖吸住一个孤立原子，然后把它放到另一个位置。

这就迈出了人类用单个原子这样的“砖块“建造”大厦”即各种材料的第一步。

图 3 是 IBM 公司的科学家精心制做的“量子围栏”的计算机照片。

他们在 4K 的温度下用 STM 的针尖一个个地把 48 个铁原子栽到了一块精制的铜表面上，围成一个圆圈，圈内就形成了一个势阶，把在该处铜表面运动的电子圈了起来。

图中圈内的圆形波纹就是这些电子的波动图景，它的大小及图形和量子力学的预言符合得非常好。