扫描隧道显微镜及其发展现状

扫描隧道显微镜及其发展现状曹文峰2012110024(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)摘要:扫描隧道显微镜(ＳＴＭ)在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。此文介绍了扫描隧道显微镜的理论原理与系统结构,以及近年来这一前沿科技领域的部分进展和应用前景。关键词：扫描隧道显微镜;隧道效应;纳米技术Abstract:Thestudyofscanningtunnelingmicroscopy(STM)hasquiteimportantsignificanceandbroadprospectsinfieldssuchassurfacescience,materialscienceandlifescience.STMhasnowbeenconsideredasoneoftheworld'stoptentechnologyachievementsinthe80sbytheinternationalscientificcommunity.FirstlythisarticleintroducestheprincipletheoryandsystemstructureoftheSTM.Finallytheapplicationandfurtherdevelopmentprospectsforthepastyearsaregiven.Keywords：Scanningtunnelingmicroscopy;Tunnelingeffect;Nanotechnology0引言扫描隧道显微镜（STM）是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。1981年在IBM公司瑞士苏黎世实验室工作的G。宾尼希（G。Binning）和H。罗雷尔（H。Rohrer）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象。这一发明使显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用。为此G。宾尼希和H。罗雷尔于1986年被授予诺贝尔物理奖。1STM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（STM）就是利用这一原理制成的。将被研究的导体物质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：)exp(21SlKVI其中，K、l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）。如图1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,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1原理示意图2STM的系统结构STM仪器一般由STM头部（含探针和样品台）、三维扫描控制器、电子学控制系统、减震系统和在线扫描控制及离线数据处理软件等组成。系统结构如图3所示：图3STM系统结构图探针针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图像的分辨率和图像的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图像。目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法（金属钨丝）、机械成型法（铂一铱合金丝）等。三维扫描控制器的作用是控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为X、Y、Z扫描控制器件，压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。电子学控制系统使计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后不断采集隧道电流，在恒电流模式中将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，保持隧道电流的稳定。在线扫描控制及离线数据处理软件主要用来控制STM的整个连续扫描过程以及测量数据的记录显示和后续处理，是整个系统的核心之一。减震系统也很重要，由于仪器工作时针尖与样品的间距一般小于1nm，同时隧道电流与隧道间隙成指数关系，因此任何微小的震动都会对仪器的稳定性产生影响，必须隔绝的两种类型的扰动是震动和冲击，其中震动隔绝是最主要的。3STM的发展现状STM的诞生是电子显微技术的一个重要里程碑，标志着人类在微观领域的认识方面又跨越了一个新的起点，对化学、物理、生命科学和材料科学等学科的许多领域都产生了重大的影响。继STM之后，各国科技工作者在STM原理基础上又发明了一系列新型显微镜，包括原子力显微镜，激光力显微镜、静电力显微镜、弹道电子发射显微镜及扫描近场光学显微镜等。这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性提供了有力的工具。如在化学领域内，扫描隧道显微技术在测定表面结构和表面化学反应机理及纳米功能材料合成和加工方面起着重要作用。在中外科学家们孜孜不倦的努力下，STM得到了不断的发展和完善。1982年，国际上第一台STM诞生，而在1988年，白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科学成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作推出了我国第一台低温STM，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。由于STM具有分辨率高、需要样品量小并可在溶液中成像等特点，所以在生物领域中倍受青睐。在研究生物分子的激活，蛋白质与DNA的复合以及病毒和细胞的生物变化过程等方面，STM都有许多有价值性的工作。如中国科学院上海原子核研究所与中科院上海细胞研究所合作，1989年4月用STM拍摄到天然鱼精子DNA的图像，同年8月又得到左手螺旋的Z-DNA图像。1989年12月，他们与苏联科学院分子生物学研究所合作，在世界上首次得到平行双链的DNA图像，证实一种新型DNA构型的存在。1990年，上海原子核研究所与上海生化所合作，首次获得DNA复制过程的STM图像，中科院化学所则首次获得三链DNA图像。STM在表面吸附和实用材料的研究中占有特殊地位。STM可以清晰观察到原子簇化合物和有机金属化合物在不同晶体的吸附和扩散；在实用材料的表面结构研究中，包括高温超导材料的表面原子排列和能谱的研究，金属卤化物的高分辨率表面结构的研究，晶体生长动力学的研究等等，STM都具有不可代替的作用。尤其值得一提的是，利用STM技术实现了室温下单电子隧穿效应。所谓电子隧穿就是让电子“排好队”，一个接着一个地通过介观尺度的结构，有人形象比喻就像门诊大夫招喊就诊的病人一样。1994年，荷兰菲利普实验室的范·荷顿小组利用STM技术构成STM双隧道结构，在室温下观察到单电子隧穿现象。这一发现开辟了设计和制作各类单电子器件的广阔前景：单电子晶体管、量子点旋转门、单电子数字逻辑电路、存贮器等等；另外，用此效应制成的超灵敏电流计，比现有仪器精度可提高1000倍。纵观STM领域，目前的研究工作早己由简单的形貌观测走向系统而深入的测量研究；由单纯的测量走向材料在微观尺度的加工。例如对基准平面操纵原子的工作已达到很高水准，能将单原子从表面拔出或安装在表面位置，或者制作某种特殊微观结构等等。尽管STM问世的时间很短，但经过各国科学家的努力，STM技术已得到了迅速的发展，在很多方面显示出其独特的优点，被应用于如微电子、生物等诸多领域中并推动了这些领域的发展。目前，国际上很多国家对纳米科技给予很大的重视，STM理论和技术也在日臻完善中，STM及其相关技术必将在人类认识和改造自然尤其是微观世界的进程中发挥越来越大的作用。4总结STM的发展仅有数十年的历史，它使人们对微观世界的探索和研究大大前进了一步，并且作为桥梁使宏观世界和微观世界的距离大大缩短。纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，STM将引起21世纪又一次产业革命。参考文献[1]张礼.近代物理学进展[M].北京：清华大学出版社，1997.49-55.[2]黄皙恒,何宝鹏.扫描隧道显微镜[J].大学物理，1994,13(4):36.[3]白春礼.来自微观世界的新概念[M].北京:清华大学出版社，2000.[4]尹世忠,赵喜梅.扫描探针显微术与纳米科技[J].现代物理知识，2001,(4):26.