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扫描隧道显微镜的基本原理

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扫描隧道显微镜的基本原理

1982年,国际商业机器公司(International Business MachineIBM)苏黎世研究所的Gerd Binnigheinrich Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器,即扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling MicroscopeSTM[1]。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态,并能够研究其相关的物理和化学特性。因此,它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。由于这一杰出成就,BinnigRohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。

由于STM具有极高的空间分辨能力(平行方向的分辨率为0.04nm,垂直方向的分辨率达到0.01nm),它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折,甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步,因为在此之前人类直接观察表面上的原子和分子结构,使纳米技术的研究无法深入地进行。利用STM,物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能,制造人造分子;生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构,进行分子切割和组装手术;材料学家可以分析材料的晶体和原子结构,考察晶体中原子尺度上的缺陷;微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。

2-1STM的基本原理图[1],其主要构成有:顶部直径约为50~100nm的极细金属针尖(通常是金属钨制的针尖),用于三维扫描的三个相互垂直的压电陶瓷(PxPyPz),以及用于扫描和电流反馈的控制器(Control Unit)等。

STM的基本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描,并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近(大约为0.5~1.0nm),所以它们之间的电子云互相重叠。当在它们之间施加一偏值电压VBVB通常为2mV~2V)时,电子就可以因量子隧道效应(Tunneling Effect)由针尖(或样品)转移到样品(或针尖),在针尖与样品表面之间形成隧道电流。此隧道电流I可以表示为:

I VB EXP-КФ1/2s

这里,К常数,在真空条件下约等于1;Ф为针尖与样品的平均功函数;s为针尖和样品表面之间的距离,一般为0.31.0NM

由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系,所以,电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.1nm,隧道电流I就会减少10倍。

STM有两种工作模式,恒电流模式和恒高度模式,如图2-2所示[2]

恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定,它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷PXPY控制针尖在样品表面上扫描时,从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息(该信息反映样品表面的起伏),就可以得到样品表面的原子图像。由于恒电流模式时,STM的针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动,针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面,所以恒电流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。

恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变,并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息(该信息也反映样品表面的起伏),来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中,针尖的高度恒定不变,当表面形貌起伏较大时,针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。

扫描隧道显微镜具有以下显著的特点:其一是STM可以直接观测到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像;它的水平和垂直分辨率可以分别达到0.04nm0.01nm;在STM出现以前,还没有任何一种显微技术能够在水平和垂直方向都达到原子尺度的分辨率。其二是STM可以在观测材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱(Scanning Tunneling SpectroscopySTS),从而可以研究材料表面的化学结构和电子状态。

而且,STM实验还可以在多种环境中进行:如大气,惰性气体,超高真空或液体,包括绝缘的和低温(液氮或液氦)的液体,甚至在电解液中。工作温度可以从绝对零度(�273.16℃)到上千摄氏度。这也是以往任何一种显微技术都不能够同时做到的。