掃描隧道電子顯微鏡

1、掃描隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡SCANNING TUNNELING MICROSCOP簡(jiǎn) 稱(chēng) STM發(fā)明者 格爾德賓寧什么是掃描隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的第三種能夠直接觀察到單個(gè)原子像的根據(jù)量子隧道效應(yīng)來(lái)獲取反映樣品表面形貌及電子態(tài)圖像的一種新型顯微鏡。STMSTM的工作原理的工作原理 掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過(guò)探測(cè)固體表面原子中電子的隧道電流來(lái)分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中的微觀粒子所具有的特性，即在電子能量低于它要穿過(guò)的勢(shì)壘高度時(shí)，由

2、于電子具有波動(dòng)性而具有穿過(guò)勢(shì)壘的幾率。 由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限在表面邊界之內(nèi)，即電子的密度并不在表面邊界突然降為零，而是在表面以外呈指數(shù)衰減；衰減長(zhǎng)度約為 1nm，它是電子逸出表面勢(shì)壘的量度。如果兩塊金屬互相靠得很近，它們的電子云就可能發(fā)生重疊；如果在兩金屬間加一微小電壓，那就可以觀察到它們之間的電流(稱(chēng)為隧道電流)。同時(shí)，物體表面的高低會(huì)影響隧道電流的大小，針尖隨著物體表面的高低上下移動(dòng)以維持穩(wěn)定的電流，依此來(lái)觀測(cè)物體表面的形貌。STM的工作模式 盡管掃描隧道電子顯微鏡的構(gòu)型各不相同, 但都包括有下述三個(gè)主要部分：驅(qū)動(dòng)探針相對(duì)于導(dǎo)電試樣表面作三維運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)(鏡體)，

3、用于控制和監(jiān)視探針與試樣之間距離的電子系統(tǒng)和把測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像的顯示系統(tǒng)。它有兩種工作方式：恒流模式、恒高模式。STM的工作模式恒電流模式利用一套電子反饋線路控制隧道電流，使其保持恒定。再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿 x、y 兩個(gè)方向作二維運(yùn)動(dòng)。由于要控制隧道電流不變,針尖與樣品表面之間的局域高度也會(huì)保持不變，因而針尖就會(huì)隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動(dòng)，高度的信息也就由此反映出來(lái)。這就是說(shuō)，掃描隧道電子顯微鏡得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖像信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。恒高度模式 在對(duì)樣品進(jìn)行掃描過(guò)程中保持針尖的絕對(duì)高度不變；于是針尖

4、與樣品表面的局域距離將發(fā)生變化，隧道電流 I 的大小也隨著發(fā)生變化；通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)顯示出來(lái)，,即得到了掃描隧道電子顯微鏡顯微圖。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一。掃描隧道顯微鏡 - 基本結(jié)構(gòu)隧道針尖三維掃描控制器減震系統(tǒng)電子學(xué)控制系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)分析軟件主要特點(diǎn) 掃描隧道顯微鏡具有以下特點(diǎn) 1、高分辨率 掃描隧道顯微鏡具有原子級(jí)的空間分辨率，其橫向空間分辨率為 l ，縱向分辨率達(dá)0.1 . 可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。 2、

5、掃描隧道顯微鏡可直接探測(cè)樣品的表面結(jié)構(gòu)，繪出立體三維結(jié)構(gòu)圖像。并且可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。 3、掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）物質(zhì)均可進(jìn)行觀察，而普通電鏡只能觀察制作好的固體標(biāo)本，由于沒(méi)有高能電子束， 對(duì)表面沒(méi)有破壞作用(如輻射，熱損傷等)，所以能對(duì)生理狀態(tài)下生物大分子和活細(xì)胞膜表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，樣品不會(huì)受到損傷而保持完好。 4、掃描隧道顯微鏡的掃描速度快，獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間短，成像也快，有可能開(kāi)展生命過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究。 5、不需任何透鏡， 體積小，有人稱(chēng)

6、之為“口袋顯微鏡”(pocket microscope)。 6、配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。缺點(diǎn) 1、在掃描隧道顯微鏡(STM)的恒電流工作模式下，有時(shí)它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差。對(duì)鉑超細(xì)粉末的一個(gè)研究實(shí)例:鉑粒子之間的溝槽被探針掃描過(guò)的曲面所蓋，在形貌圖上表現(xiàn)得很窄，而鉑粒子的粒徑卻因此而被增大了。在TEM的觀測(cè)中則不會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。 在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會(huì)有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測(cè)超細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時(shí)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。 2、掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測(cè)的效果就差于導(dǎo)體；對(duì)于絕緣體則根本無(wú)法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問(wèn)題又限制了圖像對(duì)真實(shí)表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。應(yīng)用與展望應(yīng)用與展望 掃描隧道電子顯微鏡的出現(xiàn)為人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造微觀世界提供了一個(gè)極其重要的新型工具。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷完善,STM 將在單原子操縱和納米技術(shù)等諸多研