扫描隧道显微镜--20世纪重大科技成果之一

1扫描隧道显微镜20世纪重大科技成果之一关键词：扫描隧道显微镜隧道效应分辨率控制电路摘要：扫描隧道显微镜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的显微新技术，它的出现被科学界誉为是表面科学和表面现象分析技术的一次革命．扫描隧道显微镜（ScanningTunnelinsMicroscopy以下简称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．1．显微镜的历史人类观察微小物体的历史是从放大镜开始的，然后进人光学显微镜时代．据说世界上第一台光学显微镜是荷兰的眼镜师詹森父子于1590年偶然发明的．詹森父子制造的显微镜是一支可以伸缩的管子，在它的两头各放了一片凸透镜，当管子的长短调节得合适的距离，用它可以看清很小的物体．在当时人们仅是把他制作了这种管子当作玩具，并没有用到科学研究上．直到十七世纪中叶，才真正认识到显微镜发明的科学意义，人们竞相利用显微镜观察微观世界，并给生物学带来了划时代的进步．尤其是英国物理学家罗伯特·胡克（R．Hooke1635一1703），使用自制的显微镜观察生物，并于1665年出版了《显微镜图集》．为了提高放大率，人们必须增加透镜的数目，但随着透镜数目的增加，便遇到了透镜像差．所谓透镜的像差，就是经过透镜所成的像会产生畸变、弯曲或延展等缺陷，当放大率增大时，透镜的这些缺陷也随之扩大，物象也就变得模糊起来，这样就失去了增大放大率的真实意义．十八世纪中叶，德国数学家欧拉（L．Euler1707—1783）和英国光学家J·多隆特（J．Dellond1706—1761）等人发现了用不同的玻璃制作的透镜加以组合消去色差的办法，这一发现促进了对光学玻璃的研究．到了十九世纪中叶，光学显微镜的放大率已达到l000到1500倍左右；人们发现，如果再提高显微镜的放大率，映像将变得极不清晰，这就说明光学显微镜的放大本领有一个难以超越的极限．那么，光学显微镜的性能为什么会有这个难以超越的极限呢？决定这个极限的因素是什么？德国耶拿大学的阿贝（E．Abbe1840—1905）从波动光学的基础对显微镜的映像理论进行了分析，他认为：问题并不在于显微镜本身，而起因于作为成像媒介的光波．光线是具有一定波长的光波，光波遇到粒子会产生衍射效应．当粒子小于光的波长时，光波将绕过粒子，因而不产生粒子的阴影，我们也就看不清粒子的像．光学显微镜是用可见光来观察物体的，由于光的波动性产生的衍射效应使光学显微镜的分辨极限只能达到光波的半波长左右，确切的表达式为：sin61.0Nd（1）其中λ为波长，α为物镜的孔径角，N为折射率，d为最小可分辨长度．显然在可见光范围内d的最小值约为0．3μm．阿贝从理论上推得，光学显微镜的分辨本领不超过2000Å，这个数值与实验得到的极限值一致．由阿贝理论得知：如果利用波长更短的波来作为像的形成源，显微镜的分辨本领有可能进一步提高．本世纪二十年代，法国物理学家德布罗意（de．Broglie1892—1980）发现：一切微观粒子，例如：电子、质子、中子等，也具有波动性．人们把这种波称为德布罗意波．电子的德布罗意波长为：mh（2）其中h为普朗克常数，电子受电场V加速获得动能，其速度为：meV22所以meVh2当加速电压在几十千伏以上时，考虑相对论修正，则有：)21(22cmeVeVmhoo（3）式中m0为电子静止质量，c为光速．当电子被100kV的电压加速时，电子的波长为0．0037nrn．显然，电子的波长比光波的波长短得多，比γ射线的波长还短．于是，人们立即想到是不是可以利用电子束来代替光波？1932年，德国年轻的研究员E·卢斯卡（E．Ruska1906—1988）等人，第一次用电子束得到了钢网放大形成的电子像，它雄辩地证实了使用电子束可以形成与光学透镜完全无异的像，从此开始了电子显微镜的历史．显然电子显微镜的分辨本领大大高于光学显微镜．现代高分辨透射电子显微镜（TransmissionElectronMicroscopy，TEM）分辨率优于0．3nm，晶格分辨率可达0．l～0．2nm．几十年来许多分析方法和仪器相继问世，如：场离子显微镜（FieldIonMicroscopy，FIM），扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy，SEM），俄歇谱仪（AugerElectronSpectroscopy，AES），光电子能谱（X－rayPhotoemissionSpectroscopy，XPS），低能电子衍射（LowEnergyElectronDiffraction，LEED）等等，这些技术在表面研究中都起着重要作用．但是任何一种技术都有一定的局限性，如透射电子显微镜主要研究薄膜样品的结构，场离子显微镜只能探测曲率半径小于100nm的针尖状样品的原子结构，俄歇谱仪只用以提供空间平均的电子结构信息，且这些技术只在真空环境下才能工作，并对样品将产生一定程度的损伤；因而电子显微镜也存在着自身的缺陷性．2．STM的理论依据按照经典物理学计算表明，微观粒子不能越过比它自身能量高的势垒，就好像有一座环形山从外部将它们包围住一样，粒子的能量没有达到使它们可以越过这座山而跑到外边去．但量子力学认为，由于微观粒子具有波动性，当一粒子进入一势垒中，势垒的高度Φo比粒子能量E大时，粒子穿过势垒出现在势垒另一边的几率p（z）并不为零（如图1所示），即粒子在偶然间可以不从山的上面越过去，而是从穿过山的一条隧道中通过去，人们称这种现象为“隧道效应”．按照量子理论可推导出在两平板电极间的粒子穿过势垒的电流密度为：如图（1）势垒示意图skTooeVskheJ2224（4）其中h为普朗克常数，VT为板间电压，ko为功的函数，s为两个电极的间距．J和极间距s成指数关系，若s增加0．1nm时，电流将改变一个数量级．当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流．计算结果是：)()](1[)(22EEMeVEfEfheI（5）其中)(Ef是费米统计分布函数，kTEEFeEf11)(V是针尖和表面之间电压，Eμ和Eν分别是针尖和表面的某一能态，Mμν是隧道矩阵元．3)(22dSmhM式中是波函数，括号中的量是电流算符，积分对整个表面进行；这就是STM的理论依据．3．STM的技术实现任何一项重大科技进步都是在前人众多成功的经验和失败的教训基础上，由若干具有远见卓识的人经过持之不懈的探索再加之以画龙点睛式的创举才能够取得的，STM发明也不例外．早在50年代，就有人提出过STM的最初设想，当时他们希望用光束透射一个极细小的圆孔来获得显微图象．因为技术条件不成熟而未实现．70年代初，一位名叫罗伯特·杨（R．Yang）的科学家在“场发射显微镜”的仪器关键部位上已经做到了和如今的STM非常接近．杨和他的同事们采用了一个极细小的针尖，通过扫描样品表面来获取显微图象．然而，他们并未利用隧道电流，而是通过在针尖上加一个高电压，从针尖最尖端发射出一束微小电流（称为场发射电流），打击到样品表面上，进而观察到其表面形貌．这种被杨称作“形貌仪”的显微镜分辨率只达到一般光学显微镜的水平（0．2微米）．原因是杨的“形貌仪”当中，针尖与样品表面的距离隔得太远，针尖与样品表面产生不了隧道电流，而只能依靠针尖前端的场发射电流来成像，分辩率当然不会太高．宾尼希和罗雷尔在看到杨的“形貌仪”后，立即产生了一种天才的想法，利用隧道效应再发明一种新型显微镜．从实际操作的可行性上宾尼希和罗雷尔花了很长时间才使这一设想趋于成熟，并付诸实际应用，于1979年提出了STM这一新型显微镜的专利申请．在1981年，他们制作了第一台STM实体，并获得了若干高分辨率显微图象．他们制成的这种新型显微镜达到前所未有的惊人的高分辨率，一举观测到了单个原子的真面目．若以针尖为一电极，被测固体表面为另一电极，当它们之间的距离小到纳米数量级时根据公式（4）可知：电子可以从一个电极通过隧道效应穿过空间势垒到达另一个电极形成电流，其电流大小取决于针尖与表面间距及表面的电子状态．如果表面是由同一种原子组成，由于电流与间距成指数关系，当针尖在被测表面上方做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，电流却有成十倍的变化，这样就可用现代电子技术测出电流的变化，它反映了表面的起伏．当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品仅纳米高度，恒高度模式扫描会使针尖撞击样品表面造成针尖损坏，此时可将针尖安放在压电陶瓷上，控制压电陶瓷上电压，使针尖在扫描中随表面起伏上下移动，在扫描过程中保持隧道电流不变（即间距不变），压电陶瓷上的电压变化即反映了表面的起伏．这种运行模式称为恒电流模式，目前STM大都采用这种工作模式．STM主要部件可以分为三大部分：隧道显微镜主体、控制电路、计算机系统（测量软件及数据处理软件）如图（2）．隧道显微镜在正常工作时针尖与样品表面的间距仅为纳米尺度，而且间距的微小变化都会引起电流的剧烈变化．任何建筑物都有振动，其谐振频率在20Hz附近，振幅可达微米量级，还有人的运动和声音的传播等产生的振动都会影响隧道电流的稳定性．所以STM一般需要采取严格的隔震措施和与环境隔离的措施来保证其获得原子级的分辨能力和稳定的图象．为了得到原子级的分辨本领，STM的针尖结构如图（2）为扫描隧道显微镜构造原理图十分关键，针尖的粗细、形状和化学性质不仅影响STM图象的分辨率和图象的特性，而且在谱的测定中影响所测定的电子态．理想的针尖其最尖端只有一个稳定的原子，并且针尖的表面没有氧化层和吸附物质，这样才能获得稳定的隧道电流和原子级分辨率的图象．常用的针尖材料为钨或铂铱合金，钨针尖由于刚性好而被广泛使用，但其表面容易形成氧化物，所以在使用前需要加以适当处理并保持在真空中．铂铱针尖由于其高度的化学稳定性尤其适合于大气或液态环境中使用．针尖的制备一般采用电化学腐蚀方法，在NaOH或KOH溶液中将钨丝作为阳极，施加交流或直流电压，控制电压和电流及其它电化学参数可使腐蚀后的针尖尖端曲率半径小于50nrn．STM由计算机控制数一模变换提供阶梯电压，经过直流高压放大器后，分别加在一平面压电陶瓷管的外电极上，使针尖沿二维平面方向作光栅扫描．隧道结电流经过控制电路进入计算机系统与预定电流设置值比较，不相等时根据差值符号和幅度输出相应控制值，经过高压放大来改变扫描机构压电晶体的伸长或收缩，使隧道电流稳定在预定的设置值．控制电路的其它部分是用于控制步进机构和提供偏压等功能．由于隧道电流非常微弱仅为纳米量级，STM隧道显微镜主体控制电路计算机系统4要求各机械运动部分十分稳定，所以控制电路除了要求高灵敏度、高稳定度等性能外，其噪声必须很小．4、STM的优越性及其应用STM的分辨本领非常之高，大大优于一般的电子显微镜，它的横向（表面）及纵向（深度）分辨率可以达到1埃至0．l埃，而一般的电子显微镜仅能达到几十纳米分辨率就相当不错了．用STM来观察石墨时，它表面上的碳原子在显微图象上就像一个小馒头一样清晰．STM还可以直接观察到物质表面的三维立体图象，能够得到物质表面的局域结构信息以及电子信息．在STM仪器上可以同时探测扫描隧道谱（STS）而获得物质表面的势垒高度、电荷密度波等物理参数，这都是电子显微镜无法做到的．电子显微镜只能够在高度真空的条件下才能工作；而STM既可以在真空也可以在大气中工作．工作环境可以是常温，也可以是低温；甚至