扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜（STM）的原理及其在纳米材料研究中的应用引言

透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜（SEM）虽然能揭示一定的表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部，因此分析的所谓“表面”总在一定深度上，而且分辨率也受到很大限制。场发射电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受到了限制。

扫描隧道电子显微镜（STM）的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品（如透射和扫描电子显微镜）来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成像（如场发射电子显微镜），并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。

STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达纳米，在垂直于表面的方向可达纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。

关键词：扫描隧道显微镜、量子隧道效应、纳米材料

一、扫描隧道显微镜的介绍

扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器，利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。

扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁（GerdK。Binnig）及亨利希·罗勒（HeinrichRohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

二、扫描隧道显微镜工作原理

1、隧道效应

量子隧道效应：根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零的现象。

在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。

对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。隧道效应是理解许多自然现象的基础。在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低。于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。量子隧道效应可由图1表示。

图1 隧道效应示意图

2、扫描隧道显微镜工作原理

根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流。扫描隧

道显微镜（STM）就是利用这一原理制成的。将被研究的物质（必须是导体）表面和探针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于1nm左右时，在外加电压的作用下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流I。这个电流满足如下关系：

I=K×V×exp（-l×Φ1/2×S）

其中，k、l是常数；V是施加在探针和样品之间的电压；Φ是探针和样品的平

均功函数，它和探针、样品的材料功函数有关，Φ≈Φ

1+Φ

2

；S是探针和样品间的距

离。通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品，它们的平均功函数Φ是一个定值，那么隧道电流I是电压V和距离S的一个函数。探针和样品表面的距离S 对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。

因此，保持电压V的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面X-Y方向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间的距离S（1nm左右），使探针位于样品表面某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电流的强弱，用不同的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）。如图2所示，给压电陶瓷施加一个偏向电压，压电陶瓷将带动探针在样品表面沿X方向（或Y方向）做微小定向移动。当移动的探针遇到原子时，探针和样品间的距离S减小，电流I 明显增加；当移动的探针位于相邻原子的间隙时，探针和样品间的距离S增加，电流I明显减小。最后，随着探针在样品表面的逐行的扫描，微机会将探针在不同位置时的电流记录下来，并用不同的颜色加以区分。这样，我们就得到了一张反映样品表面的不同位置，不同颜色的图像。而这个图像恰恰反映了样品表面的微观结构。如图3所示，通过这个图像，我们可以得到样品表面原子状态的有关信息。

图 2 原理示意图图3 石墨样品表面微观结构

3、扫描隧道显微镜工作方式

扫描隧道显微镜主要有两种扫描模式：恒电流模式和恒高度模式。（1）恒电流模式。如图4所示，x、y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，而且可以通过加在z方向上驱动的电压值推算表面起伏高度的数值。（2）恒高度模式，如图5所示，在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。

图4 恒电流工作模式图5 恒高度工作模式

三、扫描隧道显微镜在纳米材料研究中的应用

1、纳米材料的表征

纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用。纳米科学是在纳米尺度上(0。1nm-100nm)，其本身具有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应，库仑堵塞与量子遂穿效应和介电限域效应，因而使纳米材料展现出许多特有的光学、光催化、光电化学、化学反应、力学、热学、导电等性质。

一维纳米材料由于其量子尺寸效应在未来的纳米科技领域扮演重要的角色。在半导体领域中硅是最重要的材料，硅纳米线也是近年来研究的热点。以前的报道中有多种方法制作硅纳米线，这些纳米线尺寸在3nm到5nm，但理论计算要得到显着的量子尺寸效应需要硅纳米线的直径效应小于3nm。在硅晶片领域的一个关键技术就是去除氧化层并形成一个稳定的，低缺陷的硅表面，对于小直径的硅纳米线同样需要