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1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開(kāi)了人類(lèi)對(duì)微觀世界觀察的大門(mén)，使得人類(lèi)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2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(xì)胞.電子顯微鏡(德國(guó)科學(xué)家ErnstRuska和MaxKnoll發(fā)明),可以觀察到比細(xì)胞更小的病毒.光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五光學(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(jí)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(chǎng)偏折，故電子顯微鏡很少能對(duì)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(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的顯微術(shù).第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(shí)供職于IBM公司設(shè)在瑞士蘇黎士的實(shí)驗(yàn)室.他們的研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)隧道效應(yīng),并不是專(zhuān)門(mén)為了發(fā)明STM一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)他們讀到了物理學(xué)家羅伯特.楊撰寫(xiě)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(lái)探測(cè)物體表面的想法.結(jié)果成功了!第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五GerdBining，HeinrichRohrer和ErnstRuska榮獲1986年的諾貝爾物理獎(jiǎng)第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一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(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)

根據(jù)量子力學(xué)原理，由于粒子存在波動(dòng)性，當(dāng)一個(gè)粒子處在一個(gè)勢(shì)壘之中時(shí)，粒子越過(guò)勢(shì)壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零，這種現(xiàn)象稱(chēng)為隧道效應(yīng)。第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

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)榱恪Ｔ诮饘俦砻嬉酝?，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長(zhǎng)度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線(xiàn)度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)(稱(chēng)為樣品)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近(距離＜1nm)時(shí)，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(chǎng)作用下，電子就會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘，通過(guò)電子云的狹窄通道流動(dòng)，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(shì)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8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

由此可見(jiàn)，隧道電流I對(duì)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(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)針尖在樣品表面上方掃描時(shí)，即使其表面只有原子尺度的起伏，也將通過(guò)其隧道電流顯示出來(lái)。借助于電子儀器和計(jì)算機(jī)，在屏幕上即顯示出與樣品表面結(jié)構(gòu)相關(guān)的信息。第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五STM的結(jié)構(gòu)常用的STM針尖安放在一個(gè)可進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測(cè)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(jì)算機(jī)的測(cè)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(lái)。第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五STM的工作方式第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五恒流模式

利用一套電子反饋線(xiàn)路控制隧道電流I，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(yùn)動(dòng)，高度的信息也就由此反映出來(lái)。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12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五恒高模式

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(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13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二STM的應(yīng)用STM的應(yīng)用優(yōu)勢(shì):STM具有極高的分辨率STM得到的是實(shí)時(shí)的、真實(shí)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(jià)格相對(duì)于電子顯微鏡等大型儀器來(lái)講是較低的。第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五STM主要用于納米技術(shù)上，常見(jiàn)的應(yīng)用為：１．“看見(jiàn)”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(guò)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(duì)應(yīng)的。

C60在硅晶面上的吸附取向?qū)嶒?yàn)第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2．實(shí)現(xiàn)了單原子和單分子操縱

第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五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(dòng)，具體又可分為“牽引”、“滑動(dòng)”、推動(dòng)”三種方式；通過(guò)某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動(dòng)到新的位置，再將分子沉積在材料表面；3通過(guò)外加一電場(chǎng)，改變分子的形狀，但卻不破壞它的化學(xué)鍵。第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3．單分子化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)

可以一個(gè)個(gè)地將單個(gè)的原子放在一起以構(gòu)成一個(gè)新的分子，或是把單個(gè)分子拆開(kāi)成幾個(gè)分子或原子。最近研究成果:康奈爾大學(xué)Lee和Ho用STM來(lái)控制單個(gè)的CO分子與Ag(110)表面的單個(gè)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(tái)階處，再利用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來(lái)，然后用STM針尖將兩個(gè)苯活性基團(tuán)結(jié)合到一起形成一個(gè)聯(lián)苯分子，完成了一個(gè)完整的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4．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(kāi)關(guān)

利用STM針尖壓迫C60單分子，使C60分子變形，從而通過(guò)改變其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而使其電導(dǎo)增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)壓力除去后，電導(dǎo)又回復(fù)到原來(lái)的水平，因此可以把這個(gè)體系看成是一種“電力”開(kāi)關(guān)。負(fù)微分電導(dǎo)中國(guó)科技大學(xué)的科學(xué)家利用STM針尖將吸附在有機(jī)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(gè)C60分子上方。這時(shí)，在針尖與襯底上的C60分子之間加上電壓并檢測(cè)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(zhǎng)的DNA分子鑷子第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種新型顯微鏡STM的缺點(diǎn):有時(shí)分辨率差只能檢測(cè)導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。工作條件受限制，如不能振動(dòng)，探針材料可選擇性低。第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1原子力顯微鏡(AFM)

AtomicForceMicroscope第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五原理：利用納米級(jí)的探針固定在可靈敏操控的微米級(jí)尺度的彈性懸臂上，當(dāng)針尖很靠近樣品時(shí)，其頂端的原子與樣品表面原子間的作用力會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來(lái)的位置。根據(jù)掃描樣品時(shí)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(diǎn)：可以?huà)呙璋雽?dǎo)體和絕緣體第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2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(zhǎng)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23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3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(shí)，由于探針的電勢(shì)場(chǎng)高于樣品，探針會(huì)向樣品發(fā)射電子，這些隧道電子進(jìn)入樣品到達(dá)界面時(shí)，雖然大部分電子的能量由于被衰減而被樣品勢(shì)壘反彈回來(lái)，但是仍有少量能量較高的分子能夠穿透界面到達(dá)下層材料，這些穿透過(guò)界面的分子成為彈道分子。由于彈道分子在穿過(guò)界面時(shí)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(jià)值的數(shù)據(jù)。第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）

Photonic