量子隧穿與掃描隧道顯微鏡

鄭然方

摘要：上世紀80年代初，IBM蘇黎世實驗室的賓尼與羅雷爾研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡，打開了人類直接觀察微觀世界的大門。它的發明使得人們在納米尺度上研究物質的表面成為可能，這對于表面科學、材料科學、生命科學等領域的發展具有重要的意義。掃描隧道顯微鏡的基本原理是量子隧穿效應，它與經典牛頓力學有著很大的區別。本文主要介紹量子隧穿效應的物理來源以及掃描隧道顯微鏡的若干特點，及其廣泛的應用前景。

關鍵詞：量子隧穿；掃描隧道顯微鏡；應用

在顯微鏡出現之前，人們往往通過肉眼來觀察這個世界。17世紀列文虎克發明了光學顯微鏡，使得人們觀察細胞成為了可能。20世紀30年代，電子顯微鏡的發明，可以讓人們觀察到比細胞更小的病毒。但是，這兩種顯微鏡都有著各自的缺陷。光學顯微鏡不能觀察納米尺度的粒子，而電子顯微鏡發出高速電子

容易進入物質深處，不能用來觀察物質的表面結構。因此，這兩種顯微鏡都不能用來研究物質的表面。掃描隧道顯微鏡的出現，使得人們可以直接觀測物質的表面結構，是顯微技術上的一次飛躍。

一、量子隧穿效應

掃描隧道顯微鏡的基本原理利用了量子隧穿效應。量子隧穿效應的物理來源是物質的波動性。我們知道，經典粒子遵循牛頓力學。根據牛頓力學，一個運動的粒子所具有的動能，其中是粒子的質量，是粒子的速度。如果粒子在運動過程中遇到一個勢壘，則粒子能不能穿過勢壘，取決于動能與的相對大小。若粒子動能小于勢能，粒子一定不能穿過勢壘。但是，對于微觀粒子例如電子，情況就完全不同。微觀粒子遵循量子力學，而在量子力學里，物質本質上是一列波，即物質波。當粒子對應的物質波遇到比自己動能大的勢壘時，粒子仍然有一定概率穿過勢壘到達另一側。這時，物質波的波幅在勢壘內部是指數減小的，而對于固定高度的勢壘，只要勢壘的寬度不大，粒子透射的概率還是相當可觀的。這種效應沒有其經典對應，完全是量子力學中物質的波動性帶來的，因此這種效應也被稱為是量子隧穿效應。量子力學的計算結果表明，微觀粒子隧穿勢壘的概率，其中是一個常數，是勢壘寬度。注意到指數函數的變化極為迅速，因此勢壘寬度的微小變化，會引起隧穿概率劇烈的變化，掃描隧道顯微鏡就是利用這個原理制作而成的。

二、掃描隧道顯微鏡的原理

掃描隧道顯微鏡將極細的金屬探針和樣品表面作為兩個電極，而中間真空的絕緣層作為一個勢壘。那么，這三者就構成了一個量子隧穿的基本器件。當針尖和樣品的表面非常接近時，如果在它們之間再加上一個小電壓，那么電子就可能由針尖隧穿過真空勢壘達到樣品表面形成電流，這個電流被稱為隧道電流。注意到量子隧穿概率與勢壘寬度是指數依賴關系，因此對應的隧道電流也隨著針尖與樣品表面的距離非常敏感的變化。如果操作針尖沿著樣品表面掃描，隨著表面結構的高低起伏，隧道電流也會相應發生變化。當表面起伏0.1nm時，隧道電流會變化一個數量級左右。因此，通過測量隧道電流的大小，我們可以描繪出樣品表面高低起伏的形貌，從而得到表面分子結構的信息。在實際的測量過程中，既可以保持針尖的高度不變去測量隧道電流（恒高模式），也可以保持隧道電流不變去測量針尖上下移動的高度（恒流模式），對于不同性質的樣品，我們可以選取適當的工作模式來觀察其表面結構。

三、掃描隧道顯微鏡的特點

1、超高的分辨率。原子、分子的尺度一般在0.1-1nm左右。掃描隧道顯微鏡具有原子級的分辨能力，其水平分辨率小于0.1nm，垂直分辨率小于0.01nm，因此可以清晰地觀察樣品表面的原子、分子結構。例如，利用掃描隧道顯微鏡可以清楚看到硅（111）表面的原子圖像。通過觀察樣品表面的原子排列，掃描隧道顯微鏡可以幫助人們更好的研究表面缺陷、表面吸附、表面重構等問題，還可以提供表面電子密度分布、表面勢壘等信息。另外，由于掃描隧道顯微鏡提供的分辨圖像是實時的，這就為研究表面的分子動力學過程提供了方便。從這些例子可以看出，掃描隧道顯微鏡對于表面科學的發展具有里程碑式的意義。

2、多樣的工作環境。與其它顯微鏡不同，掃描隧道顯微鏡的工作環境是多樣的。對于無氧化層的干凈樣品表面，掃描隧道顯微鏡可以直接在大氣環境下進行觀察，而對于容易氧化的半導體和金屬樣品，在表面清潔后放入真空環境中，也可以獲得清晰的表面原子結構圖。在研究材料的相變問題時高溫環境是必要的，而在研究表面吸附和表面動力學等問題時低溫環境也是必要的。掃描隧道顯微鏡可以在低溫、室溫直至高溫的環境下工作，滿足各種工作環境的要求，這是其它顯微鏡所不具備的。由于很多化學反應是在溶液中發生的，專門在溶液環境中探測的掃描隧道顯微鏡已經研制成功，用來研究溶液中化學反應的機理。上述多樣的工作環境，為掃描隧道顯微鏡研究不同學科、不同層次的問題提供了極大的便利。

3、廣泛的應用前景。掃描隧道顯微鏡在探測過程中對于樣品是無傷的，因此可以有各種各樣的應用。利用針尖與材料表面分子的相互作用，可以實現單原子或單分子的操縱。進一步的，通過針尖可以對分子內的化學鍵進行加工處理，使單分子的化學反應成為了可能。近幾年來，利用掃描隧道顯微鏡研究DNA分子螺旋鏈輸運特性的實驗正在如火如荼的展開，這豐富了人們對于生命遺傳物質DNA的認識。因此，在表面科學、材料科學、生命科學中，掃描隧道顯微鏡正在發揮越來越重要的作用，應用前景也越來越廣泛。

四、結語

在掃描隧道顯微鏡發明至今的30多年里，納米科學取得了長足的進步。作為觀察納米世界的技術手段，掃描隧道顯微鏡極大的豐富了人們對于微觀世界的認識。分子操縱、分子加工、分子器件等技術越來越成熟，相信新一代的技術變革已經離我們不遠了。

參考文獻

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