扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜
摘要：作为研究物质微观结构的有力工具，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）与其它种类的显微镜相比，它的分辨本领却可以达到10-10 米。

以量子力学为基础的扫描隧道显微镜，可以在大气、液体、真空状态下工作，可以在4.2 K 到1000 K之间的温度下工作；并且对样品也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶等样品表面；特别是扫描隧道显微镜可以与其他实验设备结合，应用更加有效、灵活.因此，扫描隧道显微镜在物理学、化学、生物学、纳米材料等领域中都得到了深入而广泛的应用，并取得了一系列重要的研究成果。

关键词：扫描隧道显微镜；隧道效应
1 扫描隧道显微镜（STM）简介
在探索微观世界的过程中，人类就通过不懈努力希望观测到物质的微观世界。

17世纪,世界上第一台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始人类使用仪器研究微观世界的新时代[1]。

但是，由于受光波波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10-6米—10-7米。

20 世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨本领达到了10-8米。

有了电子显微镜，比细胞小的多的病毒也露出了原形.增强了人们观察微观世界的能力。

1982 年，格尔德·宾宁（G．Binning）及海因里希·罗雷尔
（H ．Rohrer ）在IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope ）。

两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986 年诺贝尔物理学奖[2]。

利用量子力学中隧道效应的扫描隧道显微镜， 它的分辨本领甚至达到了10-10米。

2 扫描隧道显微镜（STM ）的原理
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：
)exp(2/1S l KV I φ-=
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≈Φ1+Φ2；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1 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2 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1 原理示意图
图2 石墨样品表面微观结构
3 扫描隧道显微镜（STM）的应用
对于光学显微镜而言，光的衍射现象，导致小于光的波长的一半的细节在显微镜下很难分辨.而利用量子力学中隧道效应制成的扫描隧道显微镜(STM)却具有更强的分辨能力，扫描隧道显微镜的原理使它在观测物质表面微观结构方面成为非常有效的工具。

扫描隧道显微镜的优点是很显见的：（1）扫描隧道显微镜的分辨本领高，可以达到10-10米；（2）扫描隧道显微镜可以对物质微观结构进行无损探测，避免样品受到破坏或者样品性状发生变化；（3）可以利用扫描隧道显微镜实现单原子的移动和提取操纵。

通过扫描隧道显微镜，我们可以直观地看到样品表面的微观结构，进而分析样品表面的化学和物理性质。

例如：利用扫描隧道显微镜，生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子；材料学家考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等。

在扫描隧道显微镜问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。

在化学和生物学方面：通过放置在超高真空中扫描隧道显微镜，可以观测固体表面金属原子的吸附结构。

在化学各学科的研究方向中，扫描隧道显微镜在电化学领域也得到了广泛的应用，并且制成了适合研究电化学领域的扫描隧道显微镜。

在研究有机分子方面，利用扫描隧道显微镜在微机上形成的直观图像，可以观察到有机分子的3维结构。

基于此，在生物学领域中，观察DNA、重组DNA 及HPI- 蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构均通过扫描隧道显微镜来观测。

在纳米材料加工领域的应用：纳米材料是指，材料基本结构单元至少有
一维处于纳米尺度范围(一般在11100nm)，并由此具有某些新特性的材料。

对于纳米材料的制备，是当今社会研究的一个热点问题。

现今，纳米材料的制备方法主要有三种：（1）惰性气体下蒸发凝聚法；（2）化学方法；（3）物理气相法和化学沉积法的综合方法。

人们可以通过扫描隧道显微镜控制单个原子的行为。

使单原子在样品表面被随意的提取、移动和放置。

如果将适当的脉冲电压施加在针尖和样品表面之间，那么在探针和样品间产生交替变化的电场.强电场的蒸发电场的蒸发作用，使样品表面的原子可以被吸附到针尖上，并且使单原子可以随针尖移动，沉积。

通过对单原子的控制，人们可以制作大容量存储器.随着科学技术的不断发展，扫描隧道显微镜（STM）作为观测微观物质表面结构和操控单原子的有力工具，必将起到其重要的作用，并在此过程中得到长足的发展。

参考文献
[1] 程舒雯.扫描隧道显微镜性能优化及实用化研究[D].浙江大学,2003.
[2] 张振宇,李鸿琦.基于纳米压痕仪的薄膜力学性能纳米测试与表征研究[D].天津大学,2005.。