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扫描隧道显微镜（STM）
# a6 R" h1 g. |0 J4 f扫描隧道显微镜的研制是从1978年的一次谈话开始的。当时，罗赫尔（H．Roher）是IBM公司苏黎世研究实验室的科学家，宾尼格(G.Binning)还是德国法兰克福市歌德大学的研究生．罗赫尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，宾尼格提出可用隧道效应来研究表面现象．当年的年底，罗赫尔把宾尼格请到苏黎世经过3年的努力终干造出世界上第一台扫描隧道显微镜．这种显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积．它有一系列的重要应用，并由此开拓丁许多新的研究领域．因此，罗赫尔和宾尼格荣获了1986年诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分享）．+ [' y; a6 v6 q: c: c5 }
1.基本原理及应用0 P4 g8 K# y Q
在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的。两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样，如图1－6所示。3 B0 Q) u! G9 W* w6 [4 ?; [
图1－6 量子力学隧道效应示意图
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图1－7 扫描隧道显微短工作原理示意图(恒电流模式)假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时,由于电子在空间的运动呈现波性,根据量子力学的计算,电子将穿过,而不是越过这层势垒,从而形成电流.形象地看,就如同我们常见的在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样,这种现象在量子力学中称为隧道效应., ?; |6 b0 f" |" G% {4 A
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STM就是用一非常细小的针尖和被研究物质的表面作为两个导体,形成9 s9 g; b: j: x: K
两个电极,当针尖和样品表面非常接近,一般小于一个纳米时,在针尖与样品表面施加一定电压后,电子即会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一个电极,此绝缘层一般为空气或液体.这正是上面所述的隧道效应,其产生的电流则称为隧道电流.隧道电流的大小强烈地依赖于针尖到样品表面之间的距离.测量时让针尖在样品表面作二维扫描,即沿平面坐标X和Y两个方向顺次扫描.通常人们采用恒流扫描模式,即控制隧道电流不变,这样就要求针尖随着样品表面的高低起伏,相应地作高低起伏的运动,以使针尖与样品之间的距离保持不变.针尖的三维运动可通过计算机系统在计算机屏幕直接显示,或在记录纸上打印出来,可见STM所获得的信息正是样品表面的三维立体信息.这种恒流扫描模式应用广泛,获取的信息全面,显微图像质量高,可用于显示导电材料表面的原子排列情况. 图1－7为扫描隧道显微镜的原理图。
( ^0 j6 Z' @, K) `* `: Q( d; K1 J3 ]STM的出现,使人类第一次能够立体显示单个原子在物质表面的排列状态.和其它表面分析技术相比,STM具有以下独特优点:
' R( s2 D9 I3 g+ i7 q(1)高分辨率.STM在样品表面的横向分辨率可达0.1纳米,纵向分辨率可达0.01纳米,可分辨出单个原子.
. a( X/ P" w4 v- p# H5 R(2)实空间测量.利用X射线或电子波的衍射看到的图像不直观,不是实空间图像，而是投影图像，通过数据处理后才能了解物质内部的结构，而利用STM可得到原子尺度下的实空间中表面结构的三维图像。$ L4 V, N7 W$ b4 g* O6 R0 U9 j
(3)可进行单层局部研究。我们可以观察表面一层原子的局部表面结构，而不是像其他表面分析技术是对体相或整个表面的平均性质进行观察。8 v$ e5 ^3 x* l: p$ G
(4)适用性强。可在真空、大气、常温、低温等不同环境下工作，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。% \- j! Z, n: O: k& X
当然，任何事物都不是完美的，STM也有其局限性。STM工作是依靠针尖与样品间的隧道电流，因此只能测导体和半导体的表面结构，对不导电的材料就无能为力了，这是最大的局限性。实际感兴趣的材料往往是不导电的。同时STM图像不能提供样品的化学成分，必须借助于其它分析手段才能获得。 |
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