扫描隧道显微镜

1. 扫描
VI. 具体应用
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度
空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有
极高的空间分辨率，可以进行科学观测。
2. 探伤及修补
STM在对表面进行加工处理的过程中可实时对 表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺 陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断 连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用
子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微 镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样 品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒 电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通 过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流 的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统 来实现的。
扫描隧道显微镜下图：
X射线光电子能谱(XPS)等只能提供空间平均的电子结构信 息；
扫描隧道显微镜概述
1982年IBM公司苏黎世研究所Gerd Binning 和Heinrich Rohrer研制第一台扫描隧道显微 镜（Scanning tunneling microscope, STM）;
第一次直接观察到物质表面上单个原子及其排 列状态，并能研究其相关物理和化学特性;
2.恒高度模式 在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变， 于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道 电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道 电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到 了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面
较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的 情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特 点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显
由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距 离S极为敏感，如果S减小0.1nm，隧道电流就会增 加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即 使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电 流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上 即显示出样品的表面形貌。
III. 工作模式
1.恒电流模式 利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其
➢ 移动，刻写样品 当STM在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与
样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲 ，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、 丘等结构上的变化。针尖进行刻写操作后一般并未 损坏，仍可用它对表面原子进行成像，以实时检验 刻写结果的好坏。
VII. 新型仪器的发展
1. 新型扫描隧道显微镜 ➢ 在传统（左）和新型（右）扫描隧道显微镜下 看到的PTCDA分子图像。新型扫描隧道显微镜在 探针针尖上吸附了一个氢分子或者氚分子，通过测 量分子所受的压力可以得到更清晰的图像。
相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦可以加上直流 偏置电压，用于调节扫描区域。 ➢ 减震系统
由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm ，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微 小的震动都会对仪器的稳定性产生影响。必须隔绝的 两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主 要的。隔绝震动主要从考虑外界震动的频率与仪器的 固有频率入手 。 ➢ 电子学控制系统 扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电
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。如果在样品表面覆盖导电层， 则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图像 对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的 AFM可以弥补STM这方面的不足。 ➢ 此外，在目前常用的（包括商品）STM仪器中，一 般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会 对仪器的分辨率和图像的认证与解释带来许多不确定 因素。
STM进行成像以检查修补结果的好坏。
3. 微观操作
➢ 引发化学反应 STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，
此时用不很高的外加电压（最低可到10V左右）就可 产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势 垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由 于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散 ，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微 米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应。
度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质（称为 样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常 靠近(距离＜ 1nm)时，两者的电子云略有重叠，如 图所示。若在两极间加上电压Vb，在电场作用下电 子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭 窄通道流动，从一极流向另一极， 形成隧道电流I。隧道电流I的大 小与针尖和样品间的距离S以及 样品表面平均势垒的高度有关， 其关系式为：
Vபைடு நூலகம் 性能分析
1. 优越性： ➢ 具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面 方向上的分辨率分别可达0.1埃，即可以分辨出单个 原子。 ➢ 可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可 用于具备周期性或不具备周期性的表面结构的研究 ，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过 程的研究。 ➢ 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是
保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面 扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由 于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的 局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表 面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也 就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面 的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全 面，显微图象质量高，应用广泛。
➢ 利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和 操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。
2. 局限性
➢ 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。在恒高度工作方式下，从原理上这种 局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针， 其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这 种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得 尤为重要 。 ➢ STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，
扫描隧道微镜（Scanning Tunneling Microscope， 简称STM )
➢ STM的出现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 命科学等方面有广阔的应用前景。
II. 工作原理
1.隧道效应 对于经典物理学来说，当一粒子的动能E低于前
扫描隧道显微镜就是根据量子力学中的隧道效应与原 理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固 体表面形貌的新型显微装置。
根据量子力学理论，由于电子的隧道效应，金属中的 电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在 表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指 数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线
➢ 自从1933年德国科学家Ruska和Knoll等人在柏林制 成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表 面结构分析的现代仪器先后问世。如投射电子显微 镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、场离子显 微镜（FEM）等。但任何一种技术在应用上都会存 在这样或那样的局限性。
➢ 1982年，IBM（国际商业机器）公司苏黎世实验室 的葛·宾尼（Gerd Binning）博士和海·罗雷尔 （Heinrich Rohrer）博士及其同事们共同研制成功了 世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显
产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。 目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法（金
属钨丝）、机械成型法（铂-铱合金丝）等。
金属钨丝
铂-铱合金丝
➢ 压电陶瓷 由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度
的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。
目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。
压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象指 某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电 场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现 象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质。 但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸 铅[Pb(Ti,Zr)O3](简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材 料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成 十几分之一纳米到几微米的位移。 ➢ 三维扫描系统
针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振 频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如 果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针 尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子 级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系 列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可 能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间
微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描 隧
道显微镜”的原因 。
IV. 基本结构
1. 整体结构 STM仪器由具有减震系统的STM头部（含探针
和样品台）、电子学控制系统和包括A/D多功能卡 的计算机组成。
2. 重要部件 ➢ 隧道针尖
扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针 尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道 显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着 测定的电子态。
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有 以下几种：三脚架型 、单管型 、十字架配合单管 型。
以单管型为例：陶瓷管的外部电极分成面积相 等的四份，内壁为一整体电极，在其 中一块电极上施加电压，管子的这 一部分就会伸展或收缩(由电压的正负 和压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶 瓷管向、垂直于管轴的方向弯曲。通 过在相邻的两个电极上 按一定顺序施加电压就可以实现在x-y方向的相互垂 直移动。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加 电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个 电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，
1986年：诺贝尔物理奖—20世纪80年代十大 科技成就之一。
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscope (STM)
I. 背景介绍 II. 工作原理 III. 工作模式 IV. 基本结构 V. 性能分析 VI. 具体应用 VII. 新型扫描隧道显微镜
I. 背景介绍
对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等。 ➢ 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品 甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术 并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于 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、电化学反应过程中电 极表面变化的监测等。 ➢ 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 子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等 。
方势垒高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系 数等于零，粒子将完全被弹回。
而按照量子力学的计算， 在一般情况下，其透射系数 不等于零，也就是说，粒子 可以穿过比它的能量更高的 势垒，这就是隧道效应。
根据量子力学的波动理论，粒子穿过势垒的透 射系数
由式中可见，透射系数T与势垒高度a、能量差（ V0-E） 以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系，随着a的增加， T将指数衰减。 2. 工作原理
扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope (STM)
现代分析技术的发展
1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显 微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器 先后问世：
透射电子显微镜（TEM） 扫描电子显微镜（SEM） 低能电子衍射（LEED） 俄歇谱仪（AES） 光电子能谱（ESCA） 电子探针（EPMA）、 x射线光电子能谱（XPS） ………
现代表面技术的缺陷
低能电子衍射（LEED）及X射线衍射（XRD）等衍射方法 要求样品具备周期性结构（晶体）;
光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）的分辨率不 足以分辨出表面原子;
高分辨透射电子显微镜（TEM）主要用于薄层样品的体相 和界面研究
场电子显微镜（FEM）和场离子显微镜（FIM）只能探测在 半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且 制样技术复杂，研究对象十分有限；