扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展
[摘要]扫描隧道显微镜的主要工作原理就是利用了量子隧道效应～通过测量针尖与样品表面之间的隧道电流来分辨样品表面的形貌。本文研究了扫描隧道显微镜的工作原理及其运用。
[关键词] 隧道效应,原子分辨率,工作模式;运用
引言
作为一种新型的显微镜，扫描隧道显微镜的出现极大的拓展了人们的视野，同时也把人类研究带入了纳米时代。本文将讨论扫描隧道显微镜的工作原理，它的工作主要部件及其在科学上的应用。
在1924年，德布罗意预言了粒子具有波粒二象性。1927年戴维孙等人利用电子衍射实验证实了德布罗意的波粒二象性，粒子的波粒二象性的重
[1]要结论就是电子的隧道效应。1981年葛宾尼和他的导师海罗雷尔在罗伯
[2]特杨的启发下研制出了第一台扫描隧道显微镜(STM)。这种具有原子分辨率的显微镜极大的提高了人们的视野，使人们观测事物结构的本领由光学显微镜的200nm进入到电子显微镜的几个nm再次提升到原子分辨率级。这种新型的显微镜就是扫描隧道显微镜，它是利用利用量子力学中的隧道效应，在两层金属之间加上一层绝缘层形成一个隧道结，这时电子通过隧道时会产生隧道电流，形成隧道效应，隧道层的微小变化可以导致隧道隧道电流的极大变化，因此可以利用扫描隧道显微镜观察到表面的起伏变化，再由软件合成出它的表面图形。隧道扫描显微镜可以看到表面的一个个原子。它的分辨率可以到达横向1?纵向0.01?。扫描隧道显微镜的出现极大的延伸了人类的视觉感官功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，它不仅是显微科学技术的一次革命，更是在物理学，化学表面科学，材料科学，生命科学等领域都获得广泛的应用，被公认为20世纪80年代十大科技成
[3]就之一，标志着一个科技新纪元即纳米科学时代的开始。 1 扫描隧道显微镜(STM)的工作原理及其结构
1.1 STM的工作原理
STM的工作原理就是利用量子力学中的隧道效应，通过测量探针与被测样品之间的隧道电流的变化来分辨固体表面的形貌。
0,x,a考虑在一维空间运动的粒子，它的势能在的区域内为常量
E0x,0，而在区域外等于。当粒子以一定的能量由的区域向右运U(U,0)
EU0,x,ax,0动时，在经典力学中只有能量大于的粒子才能越过势垒由
EU进入到势垒的右边的区域，能量小于的粒子则不能运动到势垒避的x,a
[3]EU右边。然而在量子力学中能量小于的粒子也有可能穿过势垒到达势垒
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的右边即区域，这好像在势垒处打了一条通道让粒子通过。这就是量x,a
子力学的隧道效应。粒子由势垒左边运动到右边的可能性用可以用透射系
D数来表示
2,,2()uUEahDD,e 0
式中的是常数，U是势垒的高度，是势垒的宽度。由此可见投射系数随Da0
势垒的加宽或加高按指数规律减小。
为了进一步说明STM的工作原理，现在我们来考虑这样的模型，两片被一层厚为a的绝缘层隔开的两片金属里的电子，给两片金属之间加上一个电压V，这时绝缘层就是一个势垒，它阻止了两层金属间的电子运动，它阻止了电子从一块金属上打达另外一块。在经典物理中，电子是无论如何也不能从一块金属越过绝缘层到达另外一块金属，但是根据量子力学的隧道效应，电子可以通过隧道效应从一块金属越过绝缘层到达另外一块金属，从而形成隧道电流。根据量子力学，处于某一能级E的电子的穿透系数乘上单位时间内从内部到达表面的数量在乘上电子所带的电量即为隧道电流
,AsI，显然，其中A是取决于E和U以及金属表面性质的常量，由上式I,e
I可以看出隧道电流随势垒宽度(即绝缘层的厚度)的增加按指数规律减s
小。在进一步的计算中我们可以知道当势垒的宽度改变一个原子的限度
[3](3?)时，隧道电流将改变1000倍，所以说隧道电流的大小随绝缘层的厚度变化而变化是相当灵敏的。因此STM可以观察到金属表面上极小的变化。
1.2 STM的结构
一般的来说隧道扫描显微镜主要由三个部分组成:显微镜主题，控制
[4]电路，计算机控制系统(测量软件及数据处理软件)，在这其中最重要的就是主体，它包括了针尖平面扫描机构，针尖与样品距离控制调节机构，系统与外界震动隔离装置。
1.2.1针尖结构
根据量子力学的隧道效应可以知道隧道电流的大小与密切相关所以针a
尖的条件非常重要，理想的针尖只有一个稳定的原子，现在主要的针尖材
[5]料有钨(W)，铂铱合金即75%的铂和25%的铱。制备针尖主要有两种技术，分别是机械成型法和电化学腐蚀法。机械法主要是剪切成型，应用在铂铱合金上，电法学腐蚀一般应用在钨针尖上。利用剪切成型的针尖成斜锥状，在利用这种针尖时由于针剂的宽度和形状的原因会使获得的图像会发生畸形，因此在使用时需要进行图像和扫描矫正，在进行图像矫正时难度较大，且要求较高。但是利用剪切法制作针尖方法简单，在一般情况下可以制得较好的针，也可以满足要求。电化学法主要用在钨针头的制作，制出的针尖其针头为圆锥状，其扫描出的图像与真实的图像比较接近，不需要进行太大的图像矫正，且矫正难度与要求较低。但是这种针头的使用受到实验
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条件的限制，且其制做的成本较高，并且以为是钨作为针头，在空气中容易氧化，利用率不高。
1.2.2扫描控制系统
STM在进行工作时不但要进行平面上的二维扫描还要进行竖直方向上的三维扫描，所以控制系统要可以进行三维运动。
虽然STM的原理很简单，但是由于其是在原子尺度上进行工作，针尖要
,Y进行工精密度移动，一般的机械装置难以胜任，所 ZX,Y,Z以在STM中用压电陶瓷作为扫描控制器
Y件。历史上，人们曾经利用三个互相垂直的管状或X 条状的压电陶瓷用来进行三维扫描控制，但这种装,X
置由于其漂移较大而被淘汰。现在最常用的三维控
制系统如图1.1所示，把压电陶瓷管的外电极沿与
轴线平行的方向等分为四份，内电极仍为连续的，
XY,X,Y在相对的外电极上(和,和)加偏压，压图 1.1压电陶瓷管
ZX,Y电陶瓷管将向一边偏转，由此实现平面内的移动.如同时在内电极加偏压，压电陶瓷管将伸长，从而实现z向的移动.这种单管扫描控制系统是STM技术的重要进步.它的主要优点是结构简单、紧凑、共振频率高，而且，
X,Y管的轴对称性使向的热漂移减小了很多，纵向的漂移也很容易被补偿掉。针尖与样品间的距离控制系统主要是控制针尖与样品间的距离装置，其主要可以分为三种:?爬行方式:利用静电力，机械力，磁力的夹紧，并配合压电陶瓷的伸缩或者膨胀势样品架或针尖向前爬行。?机械调节装置:利用一个或多个高精密度得差分调节螺杆配合减速原理考靠接触力调节样品的位置。差分螺杆的调节不仅可以利用手动旋转也可以利用进步电机驱动等方式驱动。?螺杆与簧片的结合方式:用一个高精密的调节螺杆直接顶住一个差分簧片或者簧片系统调节。这三种各有各的千秋，第一种方式多使用于真空条件下，第二种在大气环境中使用的比较多，而第三种一般在低温条件下。
1.2.3震动隔绝系统
在前面的讨论中我们得知隧道电流的大小与两电极之间的距离成指数倍关系，微小的距离变化可以导致极大的电流变化，因此在试验当中震动的影响是不可忽略的，这时要考虑从两种震动的隔绝——外界震动和仪器固有震动。外界震动主要考虑建筑震动，通风管道震动，外界道路震动，
1,100Hz变压器震动以及人员走动等。这些频率一般在之间，隔绝这些震动的方法主要是提高仪器的固有频率以及使用阻尼减震系统。STM系统的底座一般由大理石和橡胶板叠加堆放，这样的堆放方式使得底座的固有阻尼一般只有临界阻尼的十分之几甚至百分之几，它的主要作用是减小大幅震动冲击所带来的影响。除此之外还可以用弹簧将探测部分悬挂起来，弹簧的弹性系数较小，共振系数也较小。利用这两种技术一般可以满足扫(0.5Hz)
描隧道显微镜的减震需要。如果要再次提高系统的抗震能力可以再利用磁
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性涡流阻尼系统等其他减震措施。在探测时还要将探测部分即探针及样品
[6]放进金属罩中，隔绝电磁扰动，空气震动等干扰信号，提高探测准确性。 2 STM工作方式
扫描隧道显微镜在工作时有两种模式分别是恒高模
[7]式和恒流模式。
2.1 恒高模式:
就是STM在扫描的时候始终保持探针高度不变
如图2.1所示，检测隧道电流的变化，再经过程序
处理可以得到样品的表面起伏变化，从而得到样品
表面的原子形貌图形。恒高模式只能用于表面形状图2.1恒高模式 起伏不大的样品，其优点是扫描速度快，从而可以
减小噪音和热漂移对信号的影响。
2.2 恒流模式:
在STM图像扫描时，保持隧道电流恒定，利用
反馈电路控制探针，使针头在Z方向上运动，保持
样品与针尖的距离不变，保持隧道电流不变，从反
馈电路中得到样品与针尖之间的距离变化信息，就
反应了样品的表面起伏，从而得到样品表面的排列
图样如图2.2所示。恒流模式主要用于观察表面起
图2.2恒流模式 伏变化较大的样品，这时STM比较常用的一种工作
模式，不足之处就是样品表面的某些沟槽不能准确
探测，且当样品表面有缺陷时容易损害针尖。
3 STM的运用及其扩展
3.1 STM的运用
STM作为新兴的显微工具，其优点是电子显微镜及其他分析仪器所无法比拟的
首先STM具有极高的分辨率。STM可以轻易的看到原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜都无法达到的。我们可以这样形象地来比喻STM的分辨能力，他可以把原子放大到一个网球的大小，就好像把网球放大到地球的大小。
其次，STM可以捕捉到实时的，真实的高分辨率样品表面图像。这不同于其他的扫描系统间接或者计算而得到样品图像。
再次STM的使用条件宽松，STM的使用对于环境的要求不高，远没有像电子显微镜那样必须将样品放在真空条件下那样苛刻，STM可以在真空环境，大气环境，高温，低温条件下使用，还可以在液体中使用，这样就可以保持生物样品的活性了。这就使得STM的使用更加广泛了，它不仅可以运用于物理，生物，化学等许多基础学科，还可以在材料，微电子，生物
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工程等应用科学中使用。
最后，相对于电子显微镜等大型仪器来说，STM的价格是比较低的，这也为STM的推广带来好处。
3.1.1 进行原子级别的观察
在1981年葛宾尼和他的导师海罗雷尔在罗伯特杨的启发下研制出了第一台扫描隧道显微镜(STM)，随后的1983年IBM的实验室里科研人员就利用STM观察到了硅单晶的表面原子排列如图3.1所示，大量具有原子分辨率的导电材料和半导体的表面排列被发表出来，使得人们的视野极大地拓展了
图3.1 Si(111)-7*7原子图
像 同时STM系统能获得原子级分辨率的图像，可直接用于观察单分子体系
[8]电子态的空间分布，观察分子的几何模型和空间取向,在前面我们讨论了STM的工作原理，我们利用扫描隧道显微镜所观察到的图像只是样品表面的形状，而不是样品的所有原子排列情况，同时由于需要产生隧道电流，所以样品需要具有良好的导电性，由此导致很多生物材料以及非金属材料的检测难度较大，并且由于隧道电流的变化与两针尖到样品的距离密切相关所以要求样品的表面起伏不能太大，否则不但测量的结果不准确，而且容易损害针尖。
3.1.2 实现了单原子与单分子的操控
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