掃描隧道顯微鏡

ScanningTunnelingMicroscope(STM)Introduction在科學發(fā)展史上直觀地觀察原子、分子一直是人們長期以來夢寐以求的愿望。1982年IBM公司蘇黎士研究實驗室的GerdBining與HeinrichRohrer博士研制出一種新型顯微鏡--掃描隧道顯微鏡，終于使這一愿望成為現(xiàn)實。諾貝爾獎：ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（從左至右）分別因為發(fā)明電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡而分享1986年的諾貝爾物理學獎

原理

經(jīng)典電子理論：

金屬體內(nèi)存在大量“自由”電子，在絕對零度時，所有自由電子的能量都小于費米能級EF；隨著溫度的升高，一部分電子的能量可以大于費米能級，大于費米能級的電子的數(shù)量隨著溫度的升高而增加；金屬邊界上存在著一個能量比費米能級EF高的位壘φ，在金屬內(nèi)“自由”電子，只有能量高于位壘的那些電子才可能從金屬內(nèi)部逸出到外部。

原理

量子力學：認為金屬中的自由電子還具有波動性，這種電子波φ1向金屬邊界傳播，在遇到表面位壘時，部分反射為φR，部分透過為φT。即使金屬溫度不是很高，仍有部分電子穿透金屬表面位壘，形成金屬表面上的電子云。這種效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。

原理隧道電流：

兩種金屬(即電極)靠得很近(通常小于1nm)時，兩種金屬的電子云將互相滲透，當加上適當?shù)碾娢粫r，即使兩種金屬并未真正接觸，也會有電流從一種金屬流向另一種金屬，這種電流稱為隧道電流。隧道掃描顯微鏡的基本原理是基于量子的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細針尖和被研究物質(zhì)的表面作為

兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩

個電極之間的絕緣層流向另一個電極。

電流I、針尖與樣品之間的距離S、平均功函數(shù)Φ、針尖和樣品之間的偏置電壓Vb：原理隧道電流強度與針尖與樣品表面之的距離非常敏感，如果距離減小0.1nm，電流將增加一個數(shù)量級。Si(7X7)表面單胞二聚體-吸附原子-堆積錯位模型計算機模擬結(jié)果

特點

掃描隧道顯微鏡是繼透射電鏡和場離子顯微鏡之后具有原子級分辨率的新一代顯微鏡。與已有的其它各種顯微鏡相比，它具有如下特性：

（一）STM具有空前的空間分辨率，其橫向與縱向分辨率已分別達到0.1nm和0.01nm,完全可分辨單個原子。（原子的典型尺寸為0.2～0.3納米）

特點（二）STM得到的是實空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)觀察，這種可實時觀察的性能可用于表面擴散等動態(tài)過程的觀察；（三）STM可得到表面單原子層的局域結(jié)構(gòu)圖象，這對于研究局部的表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附物質(zhì)的位置及形貌極其有效。

（四）STM在真空、大氣、溶液等環(huán)境中都能保持很高的分辨率，從而可以實現(xiàn)近自然條件下對樣品表面的觀測。這為生物樣品的研究提供了新途徑。

特點（五）STM對樣品幾乎無損傷，不要求特別的樣品制備技術(shù)。而且樣品需求量很小（毫微克），這為觀測珍稀提供了便利。

（六）在超高真空條件下，STM不僅可獲得表面形貌的圖象，還可通過掃描隧道譜（STS）研究表面的電子結(jié)構(gòu)。這對表面物理研究很有用途。

工作模式在STM中把針尖裝在壓電陶瓷構(gòu)成的三維掃描架上，通過改變加在陶瓷上的電壓來控制針尖位置，在針尖和樣品之間加上偏壓V以產(chǎn)生隧道電流，再把隧道電流送回電子學控制單元來控制加在Z陶瓷上的電壓，以保證在針尖掃描時樣品－針尖間距恒定不變。工作時在X、Y陶瓷上施加掃描電壓，針尖便在表面上掃描。掃描過程中表面形貌起伏引起的電流的任何變化都會被反饋到控制Z方向運動的壓電陶瓷元，使針尖能跟蹤表面的起伏，以保持電流恒定。記錄針尖高度作為橫向位置的函數(shù)Z（X、Y）就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖像，這是STM最常用的恒定電流的工作模式。它可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且通過加在Z方向陶瓷上的電壓值推算表面起伏高度數(shù)值。

工作模式STM的另一種工作模式為恒定高度模式，如圖。此時控制Z陶瓷的反饋回路雖然仍在工作，但反應(yīng)速度很慢，以致不能反映表面的細節(jié)，只跟蹤表面大的起伏。這樣，在掃描中針尖基本上停留在同樣的高度，而通過記錄隧道電流的變化得到表面態(tài)度密度的分布。一般的高速STM便是在此模式下工作的。但由于在掃描中針尖高度幾乎不變，在遇到起伏較大的樣品表面（如起伏超過針尖樣品間距0.5～1nm），針尖往往會被撞壞，因此這種模式只適宜測量小范圍、小起伏的表面。STMImagesIrononcopper:patternedassembledusingSTMtipStandingwavescausedbydefectsincopperImagefromanSTMIronatomsonthesurfaceofCu(111)STM存在的問題

在Vb和I保持不變的掃描過程中，如果功函數(shù)隨樣品表面位置而異，也同樣會引起探針與樣品表面間距S的變化，因而也引起控制針尖高度的電壓Vz的變化。如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時，由于不同種類的原子或分子團等具有不同的電子態(tài)密度和功函數(shù)，此時STM給出的等電子態(tài)密度輪廓不再對應(yīng)于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態(tài)密度組合后的綜合效果。STM不能區(qū)分這兩個因素。

利用表面功函數(shù)，偏置電壓與隧道電流之間的關(guān)系，可以得到表面電子態(tài)和化學特性的有關(guān)信息。

繼STM之后，各國科技工作者在STM原理基礎(chǔ)上又發(fā)明了一系列新型顯微鏡。如原子力顯微鏡（AFM）、摩擦力顯微鏡、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、