掃描隧道顯微鏡的原理及應(yīng)用

1、掃描隧道顯微鏡的原理和應(yīng)用掃描隧道顯微鏡的原理和應(yīng)用 掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開了人）的發(fā)明打開了人類對微觀世界觀察的大門，使得人類在納類對微觀世界觀察的大門，使得人類在納米尺度上研究單一原子以及單一分子的反米尺度上研究單一原子以及單一分子的反應(yīng)成為可能。應(yīng)成為可能。STM歷史意義歷史意義STM前的顯微鏡 光學顯微鏡光學顯微鏡(荷蘭人列文虎克發(fā)明荷蘭人列文虎克發(fā)明),用于觀用于觀察細胞察細胞. 電子顯微鏡電子顯微鏡(德國科學家德國科學家Ernst Ruska和和Max Knoll發(fā)明發(fā)明),可以觀察到比細胞更小的可以觀察到比細胞更小的病毒病毒.光學顯微鏡光學顯微鏡電子顯

2、微鏡電子顯微鏡光學顯微鏡和電子顯微鏡的缺陷光學顯微鏡和電子顯微鏡的缺陷 光學顯微鏡不能觀察到納米級的微觀粒子光學顯微鏡不能觀察到納米級的微觀粒子. 電子顯微鏡由于高速電子容易透入物質(zhì)深處，低電子顯微鏡由于高速電子容易透入物質(zhì)深處，低速電子又容易被樣品的電磁場偏折，故電子顯微速電子又容易被樣品的電磁場偏折，故電子顯微鏡很少能對表面結(jié)構(gòu)有所揭示鏡很少能對表面結(jié)構(gòu)有所揭示.總之總之,以上兩種顯微鏡都不能用于研究物質(zhì)的微觀表以上兩種顯微鏡都不能用于研究物質(zhì)的微觀表面面,人們急需一種能夠觀測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微術(shù)人們急需一種能夠觀測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微術(shù).STM的發(fā)明的發(fā)明 發(fā)明人為德裔物理學家葛發(fā)明人為德

3、裔物理學家葛.賓尼賓尼(Gerd Bining)博士和他的博士和他的導(dǎo)師海導(dǎo)師海.羅雷爾羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士博士 他們倆當時供職于他們倆當時供職于IBM公司設(shè)在瑞士蘇黎士的實驗室公司設(shè)在瑞士蘇黎士的實驗室. 他們的研究方向為超導(dǎo)隧道效應(yīng)他們的研究方向為超導(dǎo)隧道效應(yīng),并不是專門為了發(fā)明并不是專門為了發(fā)明STM 一個偶然的機會他們讀到了物理學家羅伯特一個偶然的機會他們讀到了物理學家羅伯特.楊撰寫的一楊撰寫的一篇有關(guān)篇有關(guān)“形貌儀形貌儀”的文章。這篇文章讓他們產(chǎn)生利用導(dǎo)體的文章。這篇文章讓他們產(chǎn)生利用導(dǎo)體的隧道效應(yīng)來探測物體表面的想法的隧道效應(yīng)來探測物體表面的想法. 結(jié)果成功

4、了結(jié)果成功了! Gerd Bining ， Heinrich Rohrer和和Ernst Ruska榮獲榮獲1986年的諾貝爾物理獎年的諾貝爾物理獎一一 STM工作原理工作原理 掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學中的隧道效掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。隧道效應(yīng)隧道效應(yīng) 根據(jù)量子力學原理，由于粒子存在根據(jù)量子力學原理，由于粒子存在波動性，當一個粒子處在一個勢壘之中時，粒波動性，當一個粒子處在一個勢壘之中時，粒子越過勢壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為

5、零，這種子越過勢壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝?，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長度約為指數(shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖。用一個極細的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品稱為樣品)的表面作為兩個電極，當樣品表面的表面作為兩個電極，當樣品表面與針尖非

6、?？拷c針尖非常靠近(距離距離1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖時，兩者的電子云略有重疊，如圖 2 所示。所示。若在兩極間加上電壓若在兩極間加上電壓U，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢，在電場作用下，電子就會穿過兩個電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流壘，通過電子云的狹窄通道流動，從一極流向另一極，形成隧道電流 I 。隧道電流隧道電流 I 的大小與針尖和樣品間的距離的大小與針尖和樣品間的距離 s 以及樣品表面平均勢壘的高度以及樣品表面平均勢壘的高度p有關(guān)，其關(guān)系為有關(guān)，其關(guān)系為 IUexp-A(ps)1/2 ，式中，式中 A 為常量。如果為常量

7、。如果s以以0.1nm為單為單位，位，p以以 eV為單位，則在真空條件下，為單位，則在真空條件下，A1，I Uexp-(ps)1/2 。 由此可見，隧道電流由此可見，隧道電流 I 對針尖與樣對針尖與樣品表面之間的距離品表面之間的距離 s 極為敏感，如果極為敏感，如果 s 減小減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數(shù)，隧道電流就會增加一個數(shù)量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，量級。當針尖在樣品表面上方掃描時，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過其隧道電流顯示出來。借助于電子通過其隧道電流顯示出來。借助于電子儀器和計算機，在屏幕上即顯示出與樣儀器和計算機，在屏幕上即

8、顯示出與樣品表面結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。品表面結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。STM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)常用的常用的 STM 針尖安放在一個可進行三維運動的壓電陶瓷支架上，如圖針尖安放在一個可進行三維運動的壓電陶瓷支架上，如圖 3 所所示，示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在分別控制針尖在x、y、z方向上的運動。在方向上的運動。在Lx、Ly上施加電上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流 I ，并以此反饋控制施加在，并以此反饋控制施加在Lz上上的電壓的電壓Vz；再利用計算機的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上；再利用計算機的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。

9、顯示出來。STM的工作方式的工作方式恒流模式恒流模式 利用一套電子反饋線路控制隧道電流利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使，使其保持恒定。再通過計算機系統(tǒng)控制針尖其保持恒定。再通過計算機系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即保持針尖與樣品表面在樣品表面掃描，即保持針尖與樣品表面之間的局域高度不變，針尖隨著樣品表面之間的局域高度不變，針尖隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這種工作方式獲信息也就由此反映出來。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用取圖象信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛廣泛恒高模式恒高模式 在對樣品進

10、行掃描過程中保持針尖的絕對在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離離 s 將發(fā)生變化，隧道電流將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著的大小也隨著發(fā)生變化；通過計算機記錄隧道電流的變發(fā)生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，即得到化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，即得到了了 STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一樣品表面較平坦、且組成成分單一(如由同如由同一種原子組成一種原子組成)的情形。的情形。二二 STM的應(yīng)用的應(yīng)用STM的應(yīng)用優(yōu)勢的應(yīng)用優(yōu)勢: ST

11、M具有極高的分辨率具有極高的分辨率 STM得到的是實時的、真實的樣品表面的得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖象。高分辨率圖象。 STM的使用環(huán)境寬松。的使用環(huán)境寬松。 STM的應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的的應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的 STM的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。來講是較低的。STM主要用于納米技術(shù)上，常見的應(yīng)用為：主要用于納米技術(shù)上，常見的應(yīng)用為：“看見看見”了以前所看不到的東西了以前所看不到的東西 STM所觀察到的并不是真正的原子或分子，而只是這些原子或分子的所觀察到的并不是真正的原子或分子，而只是這些原子或分子的電子云形態(tài)。我們通過電子云形態(tài)。我們

12、通過STM所獲得的分子圖象將不是與分子內(nèi)部的原所獲得的分子圖象將不是與分子內(nèi)部的原子排列一一對應(yīng)的。子排列一一對應(yīng)的。 C60在硅晶面上的吸附取向?qū)嶒炘诠杈嫔系奈饺∠驅(qū)嶒?實現(xiàn)了單原子和單分子操縱實現(xiàn)了單原子和單分子操縱 單原子或單分子操縱方式：單原子或單分子操縱方式：1 利用利用STM針尖與吸附在材料表面的分子之間針尖與吸附在材料表面的分子之間的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面發(fā)生橫向移動，具體又可分為發(fā)生橫向移動，具體又可分為“牽引牽引”、“滑動滑動”、推動、推動”三種方式；三種方式； 通過某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，通過某些外界作用將

13、吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動到新的位置，再將分子沉積在材料然后移動到新的位置，再將分子沉積在材料表面；表面；3 通過外加一電場，改變分子的形狀，但卻不通過外加一電場，改變分子的形狀，但卻不破壞它的化學鍵。破壞它的化學鍵。3單分子化學反應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)實單分子化學反應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)實 可以一個個地將單個的原子放在一起以構(gòu)成一個新的分可以一個個地將單個的原子放在一起以構(gòu)成一個新的分子，或是把單個分子拆開成幾個分子或原子。子，或是把單個分子拆開成幾個分子或原子。最近研究成果最近研究成果:康奈爾大學康奈爾大學Lee和和Ho用用STM來控制單個的來控制單個的CO分子與分子與Ag(110)表面表面的單個的單個F

14、e原子在原子在13K的溫度下成鍵，形成的溫度下成鍵，形成FeCO和和Fe(CO)2分子。分子。 Park等人將碘代苯分子吸附在等人將碘代苯分子吸附在 Cu單晶表面的原子臺階處，再單晶表面的原子臺階處，再利利 用用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用 STM針尖針尖將兩個苯活性基團結(jié)合到一起形成一個聯(lián)苯分子，完成了一個完將兩個苯活性基團結(jié)合到一起形成一個聯(lián)苯分子，完成了一個完整的化學反應(yīng)過程。整的化學反應(yīng)過程。4在分子水平上構(gòu)造分子器件在分子水平上構(gòu)造分子器件 “從上到下從上到下”方法到方法到“從下到上從下到上”方法的變化。方法的變化。相關(guān)研究成果相關(guān)研

15、究成果:C60單分子開關(guān)單分子開關(guān) 利用利用STM針尖壓迫針尖壓迫C60單分子，使單分子，使C60分子變形，從而通過改變其內(nèi)部的分子變形，從而通過改變其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而使其電導(dǎo)增加了兩個數(shù)量級。當壓力除去后，電導(dǎo)又回復(fù)到原來結(jié)構(gòu)而使其電導(dǎo)增加了兩個數(shù)量級。當壓力除去后，電導(dǎo)又回復(fù)到原來的水平，因此可以把這個體系看成是一種的水平，因此可以把這個體系看成是一種“電力電力”開關(guān)。開關(guān)。負微分電導(dǎo)負微分電導(dǎo)中國科技大學的科學家利用中國科技大學的科學家利用STM針尖將吸附在有機分子層表面的針尖將吸附在有機分子層表面的C60分子分子“撿起撿起”，然后再把粘有，然后再把粘有C60分子的針尖移到另一個分子的針尖移

16、到另一個 C60分子上方。這時，分子上方。這時，在針尖與襯底上的在針尖與襯底上的 C60分子之間加上電壓并檢測電流，他們獲得了穩(wěn)定分子之間加上電壓并檢測電流，他們獲得了穩(wěn)定的具有負微分電導(dǎo)效應(yīng)的量子隧穿結(jié)構(gòu)的具有負微分電導(dǎo)效應(yīng)的量子隧穿結(jié)構(gòu)3 7nm長的長的DNA分子鑷子分子鑷子 三三 在在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型顯微鏡型顯微鏡STM的缺點的缺點: 有時分辨率差有時分辨率差 只能檢測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。只能檢測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。 工作條件受限制，如不能振動，探針材料工作條件受限制，如不能振動，探針材料可選擇性低?？蛇x擇性低。 1 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)At

17、omic Force Microscope原理原理：利用納米級的探針固定在可靈敏操控的微米級尺度的：利用納米級的探針固定在可靈敏操控的微米級尺度的彈性懸臂上，當針尖很靠近樣品時，其頂端的原子與樣品彈性懸臂上，當針尖很靠近樣品時，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根表面原子間的作用力會使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根據(jù)掃描樣品時探針偏離量或其它反饋量重建三維圖像，就據(jù)掃描樣品時探針偏離量或其它反饋量重建三維圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌圖能間接獲得樣品表面的形貌圖相比相比STM的優(yōu)點：可以掃描半導(dǎo)體和絕緣體的優(yōu)點：可以掃描半導(dǎo)體和絕緣體2 磁力顯微鏡磁力顯微鏡(M

18、FM)和靜電力顯微鏡和靜電力顯微鏡(EFM)Magnetic Force Microscope Electrostatic Force Microscope 由于由于AFM只利用了探針與樣品間的短程力，考慮它們之間只利用了探針與樣品間的短程力，考慮它們之間存在的長程力，如磁作用力和靜電作用力后，采取抬起模存在的長程力，如磁作用力和靜電作用力后，采取抬起模式，即得到了式，即得到了MFM和和EFM。3彈道電子發(fā)射顯微鏡（彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）Ballistic Electron Emission Miroscope 按照按照STM的工作原理當探針與樣品的距離非常近時，由于探針的電勢場高于樣品，的工作原理當探針與樣品的距離非常近時，由于探針的電勢場高于樣品，探針會向樣品發(fā)射電子，這些隧道電子進入樣品到達界面時，雖然大部分電子的能量探針會向樣品發(fā)射電子，這些隧道電子進入樣品到達界面時，雖然大部分電子的能量由于被衰減而被樣品勢壘反彈回來，但是仍有少量能量較高的分子能夠穿透界面到達由于被衰減而被樣品勢壘反彈回來，但是仍有少量能量較高的分子能夠穿透界面到達下層材料，這些穿透過界面的分子成為彈道分子。由于彈道分子在穿過界面時攜帶了下層材料，這些穿透過界面的分子成為彈道分子。由于彈道分子在穿過界面時攜帶了許多有