扫描隧道显微镜

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总结
随着实验技术的不断完善,STM将在单原子操纵和纳米 技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。STM在 纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展 。可以预言,在未来科学的发展中,STM将渗透到表面科 学、材料科学、生命科学等各个科学技术领域中。
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1.恒流模式
当STM针尖沿着样品表面进行xy方向扫描时,由于表面的起伏,使得隧 道电流的大小发生变化。电流的大小与预置值相比,其差值通过反馈 回路反馈到垂直方向Z控制系统,通过Z方向压电陶瓷的伸缩,改变针尖 与样品之间的距离,从而使电流值与预置值保持恒定,就可以得到表面 的形貌像,这种测量模式称为恒流模式。恒流模式适用于表面相对粗 糙、扫描范围相对较大的测试,是STM比较常用的一种工作模式，不足 之处就是样品表面微粒之间的某些沟槽不能准确探测,且样品表面缺 陷时,很容易损STM要求研究的材料必须具有一定的导电性,这就限制了STM的应用。 在STM的基础上,1986年研制成功的原子力显微镜,能直接研究导电和 非导电的材料。随后在STM和AFM工作原理及扫描成像方法的基础上, 一系列具有不同用途的扫描探针显微镜研制成功。如激光力显微镜 (LFM)、扫描静电力显微镜(EFM)、扫描磁力显微镜(MFM)、近场光隧 道扫描显微镜(SNOM)、扫描电化学显微镜(SECM)和光子扫描隧道显微 镜(PSTM),等等。STM为代表的一系列STM,已经成为人类认识和改造微 观世界必不可少的工具。
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STM研究的应用
用量子力学中隧道效应制成的扫描隧道显微镜具有很强的分辨能力， 扫描隧道显微镜的原理使它在观测物质表面微观结构方面成为非常 有效的工具。扫描隧道显微镜的分辨本领高，可以达到10- 10 米， 扫描隧道显微镜可以对物质微观结构进行无损探测，避免样品受到破 坏或者样品性状发生变化，还可以利用扫描隧道显微镜实现单原子的 移动和提取操纵。通过扫描隧道显微镜，我们可以直观地看到样品表 面的微观结构，进而分析样品表面的化学和物理性质。随着科学技术 的不断发展，扫描隧道显微镜作为观测微观物质表面结构和操控单原 子的有力工具，必将起到其重要的作用，并在此过程中得到长足的发 展.
图1 方势垒
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STM的工作原理
根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流.扫描隧 道显微镜就是利用这一原理制成的.将被研究的物质（必须是导体）表面和探 针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于 1nm 左右时，在外加电压的作用 下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流 I. 这个电流满足如下关系： 其中，K,1是常数；V是施加在探针和样品之间的电压； 是探针和样品的平均 功函数，它和探针、样品的材料功函数有关， ；S是探针和样品间的 距离。通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品，它们的平均功函 数是一个定值，那么隧道电流I是电压V和距离S的一个函数。探针和样品表面 的距离S对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S 的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。因此，保持电压 V 的 恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面 X- Y 方向的扫描；通过步 进电机，控制探针和样品表面间的距离 S（1nm 左右），使探针位于样品表面 某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电流的强弱，用不同 的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）。
STM的工作原理
因此，保持电压 V 的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面 X- Y 方 向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间的距离 S（1nm 左右），使 探针位于样品表面某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电 流的强弱，用不同的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）. 如图 2所示，给压电陶瓷施加一个偏向电压，压电陶瓷将带动探针在样品表面 沿 X 方向（或 Y方向）做微小定向移动.当移动的探针遇到原子时，探针和样品 间的距离 S 减小，电流 I 明显增加；当移动的探针位于相邻原子的间隙时，探 针和样品间的距离 S 增加，电流 I 明显减小.最后，随着探针在样品表面的逐行 的扫描，微机会将探针在不同位置时的电流记录下来，并用不同的颜色加以区 分。这样，我们就得到了一张反映样品表面的不同位置，不同颜色的图像.而这 个图像恰恰反映了样品表面的微观结构。如图 3 所示，通过这个图像，我们可 以得到样品表面原子状态的有关信息。
图5 恒流模式
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2.恒高模式
当已知样品表面非常平整光滑或测量范围非常小时,经常用恒高模式进 行扫描(图6),即在STM图像扫描时,始终保持针尖与样品之间距离不变, 通过隧道电流的变化就可以得到样品表面起伏变化的信息,从而得到样 品表面的原子形貌图像。需要指出的是,上述的表面形貌像还包含了表 面电子结构的信息。恒高模式只能用于表面形状起伏不大的样品,其优 点就是扫描速度快,从而能够减小噪音和热漂移对信号的影响。
图2 原理示意图
图3 石墨样品的表面微结构
STM的基本结构
扫描隧道显微镜一般由扫描主体系统、电子学系统和计算机系统三部分构 成，如图4,扫描主体是STM的工作执行部分,包括信号检测装置及处理电路、 针尖、样品、PZT扫描器、粗细调驱进装置以及隔离震动的设备;电子学系 统是STM的工作控制部分,主要实现扫描器的各种预设的功能和维持扫描器 状态的反馈系统,如XY扫描、STM反馈计算、改变STM的针尖偏压、马达自 动控制以及与计算机间的数据通讯等;计算机系统可实现人机交互软件的 操作,指令电子学控制系统实现STM扫描主体功能,完成实时过程的处理、 数据的获取、分析处理及输出。
扫描隧道显微镜
Scanning Tunneling Microscopy
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扫描探针显微镜的发展历史
1924年德布罗意预言一切微观粒子都具有波粒二象性,1927年戴维孙 等人的电子衍射实验证实了德布罗意的预言。微观粒子具有波粒二象 性的一个重要结果就是隧道效应, 扫描隧道显微镜就是在此基础上发 展起来的。1966年罗素提出利用金属探针和样品之间的微弱电流来对 样品的表面形貌进行表征,随后,在1971年,罗素同他的合作者发表论 文,提出了这种探针式表面测量仪。文中详细阐述了这种测量仪的工 作原理:探针同样品的间距决定了针尖和样品间电流的大小。在此基 础上,约翰于1972年给出了这种测量仪的具体结构和应用实例，这已 经具备了STM的主要结构,是STM的雏形。1982年,IBM的毕宁和罗尔发 明了扫描隧道显微镜, 两人因此于1986年荣获诺贝尔物理学奖。
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隧道效应
隧道效应是微观粒子具有波粒二象性的结果,也是扫描隧道显微镜的理论 基础。以一维方势垒为例,方势垒如下图1所示。 当入射粒子能量E低于V0时, 按照经典力学的观点,粒子不能进入势垒,将 全部被弹回。但是,在量子力学中有全然不同的结论。从一维定态薛定谔方 程可求出粒子穿透势垒的几率为 。其中D=x2-x1为 势垒的厚度。由此可见,势垒厚度D越大,粒子通过的几率越小;粒子的能量E 越大,则穿透的几率也越大。两者都呈指数关系,因此,D和E的变化对穿透几 率P十分灵敏。伽莫夫首先导出这一关系式,并称这种入射粒子能量低于势 垒高度仍能穿透的现象为隧道效应
图6 恒高模式
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STM的针尖和偏压
STM是利用隧道效应工作的,要求针尖必须是导电的。针尖相当于一个 传感器,针尖的结构和功能决定着STM图像的分辨率和纳米操控加工能 力，针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图像的分辨率和图像 的形状,而且也影响着被测样品的电子态。针尖的宏观结构使得针尖 具有高的弯曲共振频率,从而减小了相位滞后,提高了采集速度，目前 常用的针尖材料有钨(W)和铂铱(Pt-Ir)合金。偏压的作用是为了提高 针尖上电子的能量,使针尖上的电子比样品上的电子以更大的透射率 穿过势垒,形成隧道电流。
图4 STM的基本结构 5
STM的信号测量模式
STM的基本成像模式有等高模式和恒流模式,在 此基础上衍生出了扫描隧道谱模式和功函数成 像模式。使用STM不仅可以对样品表面的电子 态密度、电荷密度波和能隙结构进行分析研究, 还可以用来进行原子操纵。然而,STM也并不是 万能的,受工作原理限制,STM的探针和样品必 需是能够导电的导体或者半导体,对于绝缘体 或表面覆盖有绝缘层的样品,STM则很难应用。
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STM的减震
由于STM工作时的针尖与样品间距一般小于1nm,同时因隧道电流与隧道 间距成指数关系,因此任何微小的振动(如说话的声音和人的走动所引 起的振动)都会对仪器的稳定性产生影响。因此,好的仪器应具有良好 的减震效果,一般由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。隔 绝振动的方法主要靠提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统。 目前实验室常用的减震系统采用合成橡胶缓冲垫、弹簧悬挂以及磁性 涡流阻尼等三种综合减震措施来达到减震的目的。