扫描隧道显微术及其应用

STM的历史

1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼(Gred Binning)博士和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了世界上第一台扫描隧道显微镜。它使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理，化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，Gred Binning和Heinrich Rohrer也因此荣获1986年诺贝尔物理学奖。

STM与其它表面分析技术相比所具有的独特优点：

1.具有原子级的高分辨率。STM在平行于和垂直于样品表面方向的分

辨率分别可达0.1nm和0.01nm。

2.可实时的得到在实空间中表面的三维图象，可用于具有周期性或

不具有周期性的表面结构研究。这种可实时的观测的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

3.可观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平

均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构。

4.可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水

或其它溶液中，而不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中对电极表面变化的监测等。

5.配合扫描隧道谱STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)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，表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

透射电镜与扫描电镜

参见有关该章节资料

场粒子显微镜

场粒子显微镜（FIM）是美国宾夕法尼亚大学的E.W.Muller教授在1951年发明的一种具有高放大倍数、高分辨率、并能直接观察表面

,He）在带正高压的针尖原子的研究装置。它利用成像气体原子（H

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样品的附近被场离子化，然后受电场加速，并沿着电场方向飞行到阴极荧光屏，在荧光屏上得到一个对应于针尖表面原子排列的所谓“场

离子像”。上述的场离子化包括空间自由原子的场电离和针尖表面附近的场电离。在金属尖端周围充以“成像气体”，利用针尖表面的场强使成像气体原子电离，让形成的正离子沿径向加速打到荧光屏上，则荧光屏上可显示尖端表面的显微图像，因为在原子排列的凸位场强较强，这种位置容易引起场电离。

气体原子是处于热运动当中的，相对于电场线垂直方向的热运动速度分量大，则离子轨道偏离电场线的程度就大，相邻原子给出的轨道就会相互交叉，这样在荧光屏上对应于表面原子的辉点就变得模糊或相互重叠，进而影响了其分辨率，所以应设法降低其工作温度。

在强电场作用下，不仅成像气体产生场离子化，而且表面原子也受到非常大的静电力作用，当这种静电力大于表面原子与次层原子的结合力时，表面原子就会被剥离而逸出表面，这种表面原子的脱离过程即是场致蒸发，其可用于研究表面组分的信息。

STM的工作原理

STM工作原理如图所示，图中A为具有原子尺度的针尖，B为被分析的样品。STM工作时，在样品和针尖之间加一定电压，当样品与针尖间的距离小于一定值时，由于量子隧道效应，样品和针尖之间会产生隧道电流I.

STM 工作时，针尖与样品之间的距离d 一般约为0.4nm，此时隧道电流I

表征样品和针尖电子波函数的重叠程度，它可以表示为： 式中：为针尖和样品之间所加的偏压，V b φ为针尖和样品的平均功函数即（)(2

121φφφ+=），A 为常数。在真空条件下，1≈A 。根据量子力学理论，由上式可以算出，当距离减少0.1nm 时，隧道电流d I 将增加一个数量级，即隧道电流对样品表面的微观起伏非常敏感，这是STM 为什么能用来观察样品表面原子级起伏的基础。 STM 的工作模式

根据扫 描过程中针尖与样品间的相对运动的不同，可将STM 的工作模式分为恒电流模式和恒高模式两种

1. 恒电流模式

在恒电流模式下，样品与针尖间的距离不变，即为常数。当针尖在样品表面扫描时，由于样品表面高度起伏，引起隧道电流变化，此时通过一定的电子反馈系统，驱动针尖随样品的高低变化做升降运动，以确保针尖与样品间的距离保持不变，这时隧道电流： d d exp(2

1φB I V b −∝ 上式表示，在恒电流模式下隧道电流I 随功函数的改变而改变，这时隧道电流直接反映了样品表面态密度的分布。在一定条件下，样品表面态密度与样品表面的高低起伏程度有关。恒电流模式是STM 的常用工作模式，适合于观察表面起伏较大的样品

2. 恒高度模式

在恒高度模式下，控制针尖在样品表面某一小平面上扫描，随着样品表面高低起伏，隧道电流不断变化，通过记录隧道电流的变化，可得到样品表面的形貌图。恒高度模式不能用于观察表面起伏大于1nm 的样品，只适合于观察表面起伏较小的样品。在恒高度模式下，STM可快速扫描，能有效地减少噪声和热漂移对隧道电流信号的干扰，从而获得具有更高分辨率的图像。

STM的局限性与发展

STM的主要技术问题在于精密控制针尖相对于样品运动，目前，STM 的针尖运动是采用压电陶瓷控制的。在压电陶瓷上施加一定的电压，使得压电陶瓷制成的部件产生变形并驱动针尖运动。目前针尖运动的控制精度已达到0.01nm.

1.在STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些

沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。

2.STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测

的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。

3.不能用于深度分析；探针扫描范围小；依赖于经验。

STM的应用

1.金属、半导体、超导体等的表面几何结构、电子结构及表面形貌的分析；

2.直接观察样品具有周期性和不具有周期性特征的表面结构、表面重构和结构缺陷等；

3.超高真空STM，原位观察表面吸附、解吸以及表面催化、研究表