扫描隧道显微镜--20世纪重大科技成果之一

扫描隧道显微镜

20 世纪重大科技成果之一

关键词：扫描隧道显微镜隧道效应分辨率控制电路

摘要：扫描隧道显微镜是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用，来测量表面原子结构和电子结构的显微新技术，它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命．

扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelins Microscopy 以下简称STM）是20 世纪80 年代初发展起来的一种新型显

微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构

和电子结构．1981 年在IBM 公司瑞士苏黎世实验室工作的G．宾尼希（G．Binning ）和H．罗雷尔（H．Rohrer）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象．这一发明使

显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用．为此G．宾尼希和H．罗雷尔于1986 年被授予诺贝尔物理奖．

1．显微镜的历史

人类观察微小物体的历史是从放大镜开始的，然后进人光学显微镜时代．据说世界上第一台光学显微镜是荷兰

的眼镜师詹森父子于1590 年偶然发明的．詹森父子制造的显微镜是一支可以伸缩的管子，在它的两头各放了一片凸

透镜，当管子的长短调节得合适的距离，用它可以看清很小的物体．在当时人们仅是把他制作了这种管子当作玩具，

并没有用到科学研究上．直到十七世纪中叶，才真正认识到显微镜发明的科学意义，人们竞相利用显微镜观察微观

世界，并给生物学带来了划时代的进步．尤其是英国物理学家罗伯特·胡克（R．Hooke 1635 一1703），使用自制的显微镜观察生物，并于1665 年出版了《显微镜图集》．为了提高放大率，人们必须增加透镜的数目，但随着透镜数

目的增加，便遇到了透镜像差．所谓透镜的像差，就是经过透镜所成的像会产生畸变、弯曲或延展等缺陷，当放大

率增大时，透镜的这些缺陷也随之扩大，物象也就变得模糊起来，这样就失去了增大放大率的真实意义．十八世纪中叶，德国数学家欧拉（L．Euler 1707—1783）和英国光学家J·多隆特（J．Dellond 1706 —1761）等人发现了用不同的玻璃制作的透镜加以组合消去色差的办法，这一发现促进了对光学玻璃的研究．到了十九世纪中

叶，光学显微镜的放大率已达到l000 到1500 倍左右；人们发现，如果再提高显微镜的放大率，映像将变得极不清

晰，这就说明光学显微镜的放大本领有一个难以超越的极限．那么，光学显微镜的性能为什么会有这个难以超越的

极限呢？决定这个极限的因素是什么？德国耶拿大学的阿贝（E．Abbe 1840—1905）从波动光学的基础对显微镜的

映像理论进行了分析，他认为：问题并不在于显微镜本身，而起因于作为成像媒介的光波．光线是具有一定波长的

光波，光波遇到粒子会产生衍射效应．当粒子小于光的波长时，光波将绕过粒子，因而不产生粒子的阴影，我们也

就看不清粒子的像．光学显微镜是用可见光来观察物体的，由于光的波动性产生的衍射效应使光学显微镜的分辨极

限只能达到光波的半波长左右，确切的表达式为：

0.61

d （1）

N sin

其中λ为波长，α为物镜的孔径角，N 为折射率， d 为最小可分辨长度．显然在可见光范围内 d 的最小值约为0．3 μm．阿贝从理论上推得，光学显微镜的分辨本领不超过2000?，这个数值与实验得到的极限值一致．由阿贝理论得

知：如果利用波长更短的波来作为像的形成源，显微镜的分辨本领有可能进一步提高．

本世纪二十年代，法国物理学家德布罗意（de．Broglie 1892 —1980）发现：一切微观粒子，例如：电子、质子、

中子等，也具有波动性．人们把这种波称为德布罗意波．电子的德布罗意波长为：

h

（2）

m

其中h 为普朗克常数，电子受电场V 加速获得动能，其速度为：

2eV

m

1

所以

h

2meV

当加速电压在几十千伏以上时，考虑相对论修正，则有：

2m eV

o

h

(1

eV

2m

o

2

c

)

（3）

式中m0 为电子静止质量， c 为光速．当电子被100kV 的电压加速时，电子的波长为0．0037nrn．显然，电子的波长

比光波的波长短得多，比γ射线的波长还短．于是，人们立即想到是不是可以利用电子束来代替光波？1932 年，德国年轻的研究员E·卢斯卡（E．Ruska 1906—1988）等人，第一次用电子束得到了钢网放大形成的电子像，它雄辩

地证实了使用电子束可以形成与光学透镜完全无异的像，从此开始了电子显微镜的历史．

显然电子显微镜的分辨本领大大高于光学显微镜．现代高分辨透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy ，TEM ）分辨率优于0．3nm，晶格分辨率可达0．l～0．2nm．几十年来许多分析方法和仪器相继问世，如：场离子显微镜（Field Ion Microscopy ，FIM ），扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy ，SEM ），俄歇谱仪（Auger Electron Spectroscopy ，AES），光电子能谱（X －ray Photoemission Spectroscopy，XPS），低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction ，LEED ）等等，这些技术在表面研究中都起着重要作用．但是任何一种技术都有一定的

局限性，如透射电子显微镜主要研究薄膜样品的结构，场离子显微镜只能探测曲率半径小于100nm 的针尖状样品的原子结构，俄歇谱仪只用以提供空间平均的电子结构信息，且这些技术只在真空环境下才能工作，并对样品将产生

一定程度的损伤；因而电子显微镜也存在着自身的缺陷性．

2．STM的理论依据

按照经典物理学计算表明，微观粒子不能越过比它自身能量高的势垒，

就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样，粒子的能量没有达到使它

们可以越过这座山而跑到外边去．但量子力学认为，由于微观粒子具有波

动性，当一粒子进入一势垒中，势垒的高度Φo 比粒子能量 E 大时，粒子穿

过势垒出现在势垒另一边的几率p（z）并不为零（如图 1 所示），即粒子在偶

然间可以不从山的上面越过去，而是从穿过山的一条隧道中通过去，人们

称这种现象为“隧道效应”．

按照量子理论可推导出在两平板电极间的粒子穿过势垒的电流密度为：如图（1）势垒示意图

J

2

e

h

k

o V e o

2k s

T

2

4 s

（4）

其中h 为普朗克常数，V T 为板间电压，k o 为功的函数，s为两个电极的间距．J 和极间距s 成指数关系，若s 增加0．1nm 时，电流将改变一个数量级．

当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流．计算结果是：

2 e 2

I f (E )[1 f (E eV )] M (E E ) （5）

h

其中 f (E) 是费米统计分布函数，

f (E)

1

E E F

kT 1 e

V 是针尖和表面之间电压，Eμ和Eν分别是针尖和表面的某一能态，M

μν是隧道矩阵元．