扫描隧道显微镜(STM)原理

，[12]1 扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm)，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 Φ 有关:

V 是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数b

，分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在真空条件下约等于1。扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂―铱丝等;被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。

由上式可知，隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏 ，见图1(a)。将针尖在

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样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。

(a) (b)

图1 扫描模式示意图

(a)恒电流模式;(b)恒高度模式

S 为针尖与样品间距，I、V为隧道电流和偏置电压， b

V为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。 z

从式可知，在V和 I 保持不变的扫描过程中，如果功函数随b

样品表面的位置而异，也同样会引起探针与样品表面间距 S 的变化，因而也引起控制针尖高度的电压V的变化。如样品z

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表面原子种类不同，或样品表面吸附有原子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数，此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。扫描隧道显微镜(STM)不能区分这两个因素，但用扫描隧道谱(STS)方法却能区分。利用表面功函数、偏置电压与隧道电流之间的关系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。

如前所述，扫描隧道显微镜(STM)仪器本身具有的诸多优点，使它在研究物质表面结构、生物样品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子;材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷;微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等，都可利用扫描隧道显微镜(STM)仪器。在扫描隧道显微镜(STM)问世之前，这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。而扫描隧道显微镜(STM)则是对样品表面进行无损探测，避免了使样品发生变化，也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。另外，任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制:光的衍射现象。由于光的衍射，尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而扫描隧道显微镜(STM)则能够轻而易举地克服这种限制，因而可获得原子级的高分辨率。表1列出了扫描隧道显微

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镜(STM)与EM、FIM的几项综合性能指标，读者从这些性能指标对比中可体会到扫描隧道显微镜(STM)仪器的优点和特点。

样品对样品分辨率 工作环检测深度

环境破坏程境

温度 度

实环境、 原子级 室温 STM 无 1~2原子层

大气、溶(垂直或低

液、真空 0.01nm) 温

(横向0.1nm)

点分辨

接近扫描电镜，但实TEM 高真空 室温 小 (0.3~0.5nm)

际上为样品厚度所

晶格分辨

限，一般小于100nm

(0.1~0.2nm)

10mm(10倍时) SEM 6~10nm 高真空 室温 小

1μm(10000倍时) FIM 30-80K 原子级 超高真空 有 原子厚度

表1 STM与EM、FIM的各项性能指标比较 从扫描隧道显微镜(STM)的工作原理可知，在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中，扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素;针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率，

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而且还关系到电子结构的测量。因此，精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值。 扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌，如SEM、TEM、

SEM一般只能提供微米或亚微米级的形貌信息，显然FIM等。

对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨TEM可以得到原子级的样品图象，但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难，而且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有FIM能在原子级分辨率下观察扫描隧道显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌，因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。日本Tohoku大学的樱井利夫等人利用了FIM的这

[3]一优势制成了FIM-STM联用装置(研究者称之为FI-STM)，可以通过FIM在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针尖的几何形状，这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验，从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。

扫描隧道显微镜(STM)在化学中的应用研究虽然只进行了几年，但涉及的范围已极为广泛。因为扫描隧道显微镜(STM)的最早期研究工作是在超高真空中进行的，因此最直接的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科的研究方向中，电化学可算是很活跃的领域，可能是因为电解池与扫描隧道显微镜(STM)装置的相似性所致。

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