掃描隧道顯微鏡的原理及應(yīng)用

掃描隧道顯微鏡的原理及應(yīng)用第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日

掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開了人類對微觀世界觀察的大門，使得人類在納米尺度上研究單一原子以及單一分子的反應(yīng)成為可能。STM歷史意義第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日STM前的顯微鏡光學(xué)顯微鏡(荷蘭人列文虎克發(fā)明),用于觀察細胞.電子顯微鏡(德國科學(xué)家ErnstRuska和MaxKnoll發(fā)明),可以觀察到比細胞更小的病毒.光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的缺陷光學(xué)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.總之,以上兩種顯微鏡都不能用于研究物質(zhì)的微觀表面,人們急需一種能夠觀測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微術(shù).第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日STM的發(fā)明發(fā)明人為德裔物理學(xué)家葛.賓尼(GerdBining)博士和他的導(dǎo)師海.羅雷爾(HeinrichRohrer)博士他們倆當(dāng)時供職于IBM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),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(xué)家羅伯特.楊撰寫的一篇有關(guān)“形貌儀”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.結(jié)果成功了!第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日GerdBining，HeinrichRohrer和ErnstRuska榮獲1986年的諾貝爾物理獎第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日一STM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。隧道效應(yīng)

根據(jù)量子力學(xué)原理，由于粒子存在波動性，當(dāng)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零，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日

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，電子云密度呈指?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作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱為樣品)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品表面與針尖非?？拷?距離＜1nm)時，兩者的電子云略有重疊，如圖2所示。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I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p有關(guān)，其關(guān)系為I∝Uexp[-A(ps)1/2]，式中A為常量。如果s以0.1nm為單位，p以eV為單位，則在真空條件下，A≈1，I∝Uexp[-(ps)1/2]

。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日

由此可見，隧道電流I對針尖與樣品表面之間的距離s極為敏感，如果s減小0.1nm，隧道電流就會增加一個數(shù)量級。當(dāng)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品表面結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日STM的結(jié)構(gòu)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3所示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運動。在Lx、Ly上施加電壓，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Lz上的電壓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顯示出來。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日STM的工作方式第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日恒流模式

利用一套電子反饋線路控制隧道電流I，使其保持恒定。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)用廣泛第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日恒高模式

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離s將發(fā)生變化，隧道電流I的大小也隨著發(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，即得到了STM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(如由同一種原子組成)的情形。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日二STM的應(yīng)用STM的應(yīng)用優(yōu)勢:STM具有極高的分辨率STM得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖象。STM的使用環(huán)境寬松。STM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來講是較低的。第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日STM主要用于納米技術(shù)上，常見的應(yīng)用為：１．“看見”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電子云形態(tài)。我們通過STM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。

C60在硅晶面上的吸附取向?qū)嶒灥谑屙摚捕摚?022年，8月28日2．實現(xiàn)了單原子和單分子操縱

第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日單原子或單分子操縱方式：1利用STM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發(fā)生橫向移動，具體又可分為“牽引”、“滑動”、推動”三種方式；通過某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動到新的位置，再將分子沉積在材料表面；3通過外加一電場，改變分子的形狀，但卻不破壞它的化學(xué)鍵。第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日3．單分子化學(xué)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)成一個新的分子，或是把單個分子拆開成幾個分子或原子。最近研究成果:康奈爾大學(xué)Lee和Ho用STM來控制單個的CO分子與Ag(110)表面的單個Fe原子在13K的溫度下成鍵，形成FeCO和Fe(CO)2分子。

Park等人將碘代苯分子吸附在Cu單晶表面的原子臺階處，再利用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用STM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，完成了一個完整的化學(xué)反應(yīng)過程。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日4．在分子水平上構(gòu)造分子器件

“從上到下”方法到“從下到上”方法的變化。相關(guān)研究成果:C60單分子開關(guān)

利用STM針尖壓迫C60單分子，使C60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(dāng)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“電力”開關(guān)。負(fù)微分電導(dǎo)中國科技大學(xué)的科學(xué)家利用STM針尖將吸附在有機分子層表面的C60分子“撿起”，然后再把粘有C60分子的針尖移到另一個C60分子上方。這時，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)定的具有負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)的量子隧穿結(jié)構(gòu)37nm長的DNA分子鑷子第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日三在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種新型顯微鏡STM的缺點:有時分辨率差只能檢測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。工作條件受限制，如不能振動，探針材料可選擇性低。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日1原子力顯微鏡(AFM)

AtomicForceMicroscope第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日原理：利用納米級的探針固定在可靈敏操控的微米級尺度的彈性懸臂上，當(dāng)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相比STM的優(yōu)點：可以掃描半導(dǎo)體和絕緣體第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日2磁力顯微鏡(MFM)和靜電力顯微鏡(EFM)

MagneticForceMicroscope

ElectrostaticForceMicroscope由于AFM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，采取抬起模式，即得到了MFM和EFM。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日3彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）

BallisticElectronEmissionMiroscope

按照STM的工作原理當(dāng)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許多有關(guān)界面的信息，因此BEEM為界面的研究提供了有價值的數(shù)據(jù)。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日4光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）

Photonic