掃描隧道顯微鏡簡介

齊 磊，曹劍英

（集寧師范學院 物理系，內蒙古 烏蘭察布 012000）

1 掃描隧道顯微鏡（STM）簡介

在探索微觀世界的過程中，人類就通過不懈努力希望觀測到物質的微觀世界.17世紀，世界上第一臺光學顯微鏡發明成功，并且利用這臺顯微鏡，人類首次觀察到了細胞的結構，從而開始了人類使用儀器研究微觀世界的新時代[1].但是，由于受光波波長的限制，光學顯微鏡的分辨率只能達到10-6米—10-7米.20世紀初，利用電子透鏡使電子束聚焦的原理，成功的發明了電子顯微鏡，它的分辨本領達到了10-8米.有了電子顯微鏡，比細胞小的多的病毒也露出了原形.增強了人們觀察微觀世界的能力.

1982年，格爾德·賓寧（G．Binning）及海因里希·羅雷爾（H．Rohrer）在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明了，世界上第一臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）.兩位發明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎[2].利用量子力學中隧道效應的掃描隧道顯微鏡，它的分辨本領甚至達到了10-10米.

2 掃描隧道顯微鏡（STM）的原理

根據量子理論中的隧道效應，電子有幾率穿過勢壘，而形成隧道電流.掃描隧道顯微鏡（STM）就是利用這一原理制成的.將被研究的物質（必須是導體）表面和探針作為兩個電極，當樣品與針尖的距離介于1nm左右時，在外加電壓的作用下，電子會穿過這個因為距離形成的勢壘而向另一端運動，形

其中，k、l是常數；V是施加在探針和樣品之間的電壓；Φ是探針和樣品的平均功函數，它和探針、樣品的材料功函數有關，Φ≈Φ1+Φ2；S是探針和樣品間的距離.通過對上式的分析可以發現，對于確定的探針和樣品，它們的平均功函數Φ是一個定值，那么隧道電流I是電壓V和距離S的一個函數.探針和樣品表面的距離S對隧道電流的影響是很明顯的；因為它是一個指數函數，即使是距離S的一個微小變化，電流卻將變化一個甚至幾個數量級.

因此，保持電壓V的恒定；利用壓電陶瓷材料，控制針尖在樣品表面X-Y方向的掃描；通過步進電機，控制探針和樣品表面間的距離S（1nm左右），使探針位于樣品表面某一個高度上；通過微機記錄不同時刻的電流，并且按照電流的強弱，用不同的顏色加以區分（大電流用淺色表示，小電流用深色表示）.如圖1所示，給壓電陶瓷施加一個偏向電壓，壓電陶瓷將帶動探針在樣品表面沿X方向（或Y方向）做微小定向移動.當移動的探針遇到原子時，探針和樣品間的距離S減小，電流I明顯增加；當移動的探針位于相鄰原子的間隙時，探針和樣品間的距離S增加，電流I明顯減小.最后，隨著探針在樣品表面的逐行的掃描，微機會將探針在不同位置時的電流記錄下來，并用不同的顏色加以區成隧道電流I.這個電流滿足如下關系：分.這樣，我們就得到了一張反映樣品表面的不同位置，不同顏色的圖像.而這個圖像恰恰反映了樣品表面的微觀結構.如圖2所示，通過這個圖像，我們可以得到樣品表面原子狀態的有關信息.

圖1 原理示意圖

圖2 石墨樣品表面微觀結構

3 掃描隧道顯微鏡（STM）的應用

對于光學顯微鏡而言，光的衍射現象，導致小于光的波長的一半的細節在顯微鏡下很難分辨.而利用量子力學中隧道效應制成的掃描隧道顯微鏡(STM)卻具有更強的分辨能力，掃描隧道顯微鏡的原理使它在觀測物質表面微觀結構方面成為非常有效的工具.掃描隧道顯微鏡的優點是很顯見的：（1）掃描隧道顯微鏡的分辨本領高，可以達到10-10米；（2）掃描隧道顯微鏡可以對物質微觀結構進行無損探測，避免樣品受到破壞或者樣品性狀發生變化；（3）可以利用掃描隧道顯微鏡實現單原子的移動和提取操縱.通過掃描隧道顯微鏡，我們可以直觀地看到樣品表面的微觀結構，進而分析樣品表面的化學和物理性質.例如：利用掃描隧道顯微鏡，生物學家們研究單個的蛋白質分子或DNA分子；材料學家們考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子器件工程師們設計厚度僅為幾十個原子的電路圖等.在掃描隧道顯微鏡問世之前，這些微觀世界還只能用一些煩瑣的、往往是破壞性的方法來進行觀測.

在化學和生物學方面：通過放置在超高真空中掃描隧道顯微鏡，可以觀測固體表面金屬原子的吸附結構.在化學各學科的研究方向中，掃描隧道顯微鏡在電化學領域也得到了廣泛的應用，并且制成了適合研究電化學領域的掃描隧道顯微鏡.在研究有機分子方面，利用掃描隧道顯微鏡在微機上形成的直觀圖像，可以觀察到有機分子的3維結構.基于此，在生物學領域中，觀察DNA、重組DNA及HPI-蛋白質等在載體表面吸附后的外形結構均通過掃描隧道顯微鏡來觀測.

在納米材料加工領域的應用：納米材料是指，材料基本結構單元至少有一維處于納米尺度范圍(一般在11100nm)，并由此具有某些新特性的材料.對于納米材料的制備，是當今社會研究的一個熱點問題.現今，納米材料的制備方法主要有三種：（1）惰性氣體下蒸發凝聚法；（2）化學方法；（3）物理氣相法和化學沉積法的綜合方法.人們可以通過掃描隧道顯微鏡控制單個原子的行為.使單原子在樣品表面被隨意的提取、移動和放置.如果將適當的脈沖電壓施加在針尖和樣品表面之間，那么在探針和樣品間產生交替變化的電場.強電場的蒸發電場的蒸發作用，使樣品表面的原子可以被吸附到針尖上，并且使單原子可以隨針尖移動，沉積.通過對單原子的控制，人們可以制作大容量存儲器.

隨著科學技術的不斷發展，掃描隧道顯微鏡（STM）作為觀測微觀物質表面結構和操控單原子的有力工具，必將起到其重要的作用，并在此過程中得到長足的發展.

〔1〕程舒雯.掃描隧道顯微鏡性能優化及實用化研究[D].浙江大學,2003.

〔2〕張振宇,李鴻琦.基于納米壓痕儀的薄膜力學性能納米測試與表征研究[D].天津大學,2005.