扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展.doc

陕西理工学院毕业论文扫描隧道显微镜的基本原理及其扩展吴冰冰（陕理工物理系 物理学073班级，陕西 汉中 723001）指导教师：王亚辉 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要结论就是电子的隧道效应1。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）2。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年代十大科技成就之一，标志着一个科技新纪元即纳米科学时代的开始3。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。考虑在一维空间运动的粒子，它的势能在的区域内为常量，而在区域外等于。当粒子以一定的能量由的区域向右运动时，在经典力学中只有能量大于的粒子才能越过势垒由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右边3。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数来表示式中的是常数，是势垒的高度，是势垒的宽度。由此可见投射系数随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，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）时，隧道电流将改变1000倍3，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，控制电路，计算机控制系统（测量软件及数据处理软件)4，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，现在主要的针尖材料有钨（W），铂铱合金即75%的铂和25%的铱5。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，针尖要进行工精密度移动，一般的机械装置难以胜任，所以在STM中用压电陶瓷作为扫描控制器件。历史上，人们曾经利用三个互相垂直的管状或条状的压电陶瓷用来进行三维扫描控制，但这种装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，在相对的外电极上（和,和)加偏压，压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，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，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6。2 STM工作方式图2.1恒高模式扫描隧道显微镜在工作时有两种模式分别是恒高模式和恒流模式7。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：图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电子态的空间分布，观察分子的几何模型和空间取向8,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自从STM的发明，它就在广泛的科技领域应用之后，人们就设想可以利用它来进行原子级别的操作，利用针尖与吸附在样品表面的分子或原子之间的吸引或排斥关系，使分子或原子发生移动。终于在90年代初，IBM的科学家在 Ni的表面用Xe写出“IBM”三个字母图3.2所示，首次打开了人们利用STM在低温进行单原子操控的可能性，此后科学家不断利用STM排列出其他样式。中国也自图3.2 在Ni表面用Xe写出“IBM己排列出如下的图像，虽然这些图形对科学研究不具有太大的科学意义，然而他们的排列成功却给我们的科学产生了极大打影响，给人类的微观操控带来了可能。3.1.3实现单原子化学反应利用STM可以对材料进行单原子上的操控，由此带来的科技进步是巨大的，现在科学家可以利用STM将一个个单原子放在一起构成一个新的分子，或者可以把一个单分子拆开成为几个分子或原子。如前面我们所知的单原子操控的魅力在于可以选择性切断或组成新的化学键，这样就为了单原子化学反应提供了良好的条件，这是一个极具挑战性的课题，在康奈尔大学的实验室当中，STM就被用来控制单个的CO分子与Ag(110)表面的单个Fe原子在13K的温度下成键形成FeCO和Fe(CO)2分子。利用这种方法科学家就可以制作出全新结构的物质，可以想象得到，如果我们能够随心所欲的对单个原子和分子进行操纵控制，那么我们就可以制作出更多的新型药品，新型催化剂，新型材料等更多我们无法想象的新产品，这一定会给我们的生活带来深远的影响。3.1.4在分子水平上构造电子元件 人们一直在构造电子器件的高速化和小巧化。在而当前的制造工艺来从本质上来说任属于传统的“从上到下”方法，即通过现有的宏观构造工艺来考虑使器件微型化。而STM的发明给了我们一个提示，能否反其道而行“从下到上，从小到大”我们可以利用STM来操控原子，构造和设计各种功能器件，这将是一个伟大的成就。 利用单分子的独特的量子电子学特性，IBM的科学家构造了第一个单原子放大器，它的原理是利用STM的针尖压迫C60单分子，使得C60发生形变，从而改变他的内部结构，使得他的导电性增加两个数量级，然而这种过程是可逆的，当针尖的压力撤去以后，其导电性又会回到原来的级别，这样我们可以把它看成一个微型电力开关，此外它的能耗仅为现有的开关能耗的万分之一。而他的开关频率又要高得多。虽然这类开关现在只存在于实验室当中，但是不管怎么样作为第一款单分子放大器模型，其优越的低能耗以及高速度的特性，向人民展示了单分子的前景与魅力。 3.2 STM的扩展在STM基础上发展出来的各种新型显微镜3.2.1原子力显微镜（AFM)10 原子力显微镜（AFM)是利用了原子与分子之间的相互作用力（范德华力，价键力，表面张力，万有引力，磁力和静电力等）来观察样品表面的形形貌。为了研究导电样品和非导电样品，人们研制出了原子力显微镜 9，是利用针尖和样品原子间的相互作用力进行工作的，他的主要原理就是把纳米级的探针固定在操控灵敏的微米级的弹性悬臂上，当探针靠近样品时，其顶端的原子与表面原子之间的相互作用力会使得悬臂弯曲，从而偏离原来的初始位置，这样根据探针的偏离量构建三维模型，这样就能间接获取样品的表面形貌了。对于一般的原子力显微镜，常利用集成电路技术和工艺制造集成的针尖微悬臂10,11.当针尖对样品进行扫描时，由于针尖和样品之间存在短程的斥力，这个斥力使得微悬臂发生弯曲变形，利用反馈控制系统，使得针尖与样品之间的作用力保持恒定，通过不同的方法检测微悬臂的变形情况，这样就可以得到样品的表面形貌。3.2.2磁力显微镜和静电力显微镜原子力显微镜（AFM)，是利用探针和样品之间的短程力进行成像的，在这种情况下，样品和探针之间的长程力（如磁力和静电力）往往不能被测量。磁力显微镜和静电力显微镜提供了一种新的测量长程力的工具，他们可以排除样品表面形貌的影响，而得到样品的一些其他信息。磁力显微镜及静电力显微镜的工作原理相似，其工作模式都属于抬起模式的原子力显微镜5。抬起模式的原理如下：1. 在样品表面扫描，得到样品的表面形貌信息，这个过程与轻敲模式中成像一样；2. 探针回到当前行扫描的开始点，增加探针与样品之间的距离（即抬起一定的高度），根据第一次扫描得到的样品形貌，始终保持探针与样品之间的距离，进行第二次扫描。在这个阶段，可以通过探针悬臂振动的振幅和相位的变化，得到相应的长程力的图像；3. 在抬起模式中，必须根据所要测量的力的性质选择相应的探针。磁力显微镜和静电力显微镜采用的都是原子力显微镜的抬起模式。在抬起模式中，用户可以选择表面有磁性物质覆盖的微悬臂探针。当磁性针尖在磁性性质的扫描结果，形成磁力图。与磁力显微镜相似，用户可以在抬起模式中，选择表面有导电覆盖层的微悬臂探针，获得反映样品表面静电力性质的扫描结果，形成静电力图。3.2.3弹道电子发射显微镜 按照STM的工作原理当探针与样品的距离非常近时，由于探针的电势场高于样品，探针会向样品反射电子，这些隧道电子进入样品到达界面时，虽然大部分电子的能量由于被衰减而被样品势垒反弹回来，但是仍有少量能量较高的分子能够穿透界面到达下层材料，这些穿透过界面的分子成为弹道分子。由于弹道分子在穿过界面时携带了许多有关界面的信息，因此它为界面的研究提供了有价值的数据。3.2.4光子扫描隧道显微镜 关于光子扫描隧道显微镜（PSTM）是用光学探针探测样品表面附近被内全反射所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长。 PSTM的原理和工作方式在许多方面和STM相似。STM利用电子隧道效应，而PSTM则是利用光子隧道效应。当界面两边物质的折射率满足一定条件时，一束内全反射光会导致界面的另一侧产生一个瞬衰场。其强度随离界面的距离成指数关系。将一光学探针调节到样品表面的略衰场内，入射光的一些光子会穿过界面和光学探针之间的势垒，即产生光子隧道效应。产生的光子经过光导纤维传到光电倍增管并转换成电信号。至此以后，PSTM的工作情况与STM相同。4 总结 人类对自然世界的探索从来没有止步，自从人们开始利用放大镜观察世界开始，人们就对未知的探索的激情就日益高涨，显微镜的发明更为人类探索自然打开了大门，而扫描隧道显微镜的发明更是吹响人类进军纳米世界的号角，虽然我们关于对微观世界了解还是非常有限的，但是随着科学技术的发展相信在不久的未来会有更加微妙的显微镜把我们带向更加奇妙的世界,在新技术的指导下，我们将更加细致，精确的了解世界，使我们的视野思维高度达到更高的程度，探寻奇妙的世界，挖掘事物的本质特征及其属性，创造更加奇妙的科学技术，为我们的生活服务，创造出更加美好的未来，使人类的文明达到更高的程度。参考文献1韩党卫，霍汗平，任兆玉.扫描隧道显微镜的理论研究与应用J.陕西师范大学学报，2006.7（34）：38-402Binning G,Rohrer H.Scanning tunneling microscopy.IBM j Res Develop,1986,30(4):3553尹世忠，朵丽华 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