扫描隧穿显微镜(主讲)

1、6.5 6.5 扫描隧穿显微镜扫描隧穿显微镜第七小组制作扫描隧穿显微镜扫描隧穿显微镜是一种通过隧穿效应原理来探测物体结构、形状和探测原子、分子的运动规律等的精密仪器！格尔德格尔德宾尼宾尼 海因里希海因里希罗雷尔罗雷尔（1 1）最早在16世纪末，荷兰和意大利的眼镜制造者就已经造出了类似显类似显微镜的放大仪器微镜的放大仪器。一、扫描隧穿显微镜的发明一、扫描隧穿显微镜的发明（2 2）最初的显微镜是17世纪的光学光学显微镜显微镜（1665年，英国物理学家胡克自制了一架上下两块透镜组成的复合显微镜）。但由于光的衍射现象使观察尺寸小于二分之一光波波长的物体，变得模糊不清，因此光学显微镜的分辨能力非常有限（

2、观察极限为两点间距不能小于200nm）。（3 3）20世纪20年代，电子显微镜电子显微镜被发明。电子显微镜用高能电子束代替光束，由于电子束的波长远小于光束的波长，突破了光波的衍射极限，所以电子显微镜的分辨率达到了约0.2nm，远高于光学显微镜的分辨率200nm。但由于高速电子极容易穿透至物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，因此电子显微镜几乎不能对物体表面结构进行研究。（4 4）20世纪80年代，出现了能够观察物质表面结构的显微技术扫描扫描隧穿显隧穿显微微镜镜（Scanning Tunnel Microscope，缩写为STM）（扫描隧穿显微镜是由德国的格尔德.宾宁及瑞士的海因里希.罗雷

3、尔于1981年发明的），它能直接观察物体的表面结构，而不会对样品表面造成任何损伤。（5 5）在扫描隧道显微镜出现以后，又陆续发展了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜原子力显微镜（AFM）、激光力显激光力显微镜微镜（LFM）、磁力显微镜磁力显微镜（MFM）、弹弹道电子发射显微镜道电子发射显微镜（BEEM）、扫描离子扫描离子电导显微镜电导显微镜（SICM）、扫描热显微镜扫描热显微镜（STHM）和扫描隧道电位仪扫描隧道电位仪（STP）等等。这些新型的显微镜，都利用了反馈回路控制探针在距离样品表面1nm处或远离样品表面扫描（或样品相对于探针扫描）的工作方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得的

4、有关表面的各种信息，对STM的功能有所补充和扩展。二、STM的工作原理 扫描隧穿显微镜是利用了量子理论中的隧穿效应而设计的，下图所示为它的简化结构图：（1 1）STM具有一个非常细小的探针，针的最尖端只有一个原子，当探针接近待测物体表面（一般小于1个纳米）时，探针与表面充当了两个电极，在外加电场的作用下，电子即会穿过两个电极之间的绝缘层，从一个电极到另一个电极，从而产生电流，这种现象称为隧穿效应，电流称为遂穿电流。补充：补充：对于经典物理学来说，当一个粒子的动能低于前方势垒的高度时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，

5、也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧穿效应。（2 2）隧穿电流的强度和针尖与表面的距离相关，一般表面都凹凸不平，当探针在计算机的控制下从物体表面扫过时，隧穿电流的大小就会发生变化，电流的变化则携带有表面形貌的特征。（3 3）根据探测到的隧穿电流，经计算机分析处理后，可获得能够转换为样品表面的三维图像。 目前，STM的横向分辨率可达0.1nm、纵向分辨率可达0.01nm，其放大倍数高达1亿倍，故能分辨出单个原子。于是利用STM探针，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了技术基础。三、三、STMSTM的应用的应用 扫描隧穿显微镜是目前研究材料表面特征的最理

6、想设备，它使人类第一次能实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和表面电子行为相关的物化性质，在材料科学、生命科学等领域有着重要的研究意义和应用价值。（1 1）应用扫描隧穿显微镜，不仅可以在各种样品表面上进行直接刻写、光刻以及诱导淀积和刻蚀等，它还可以对吸附在表面的微观粒子（如金属小颗粒、原子团及单个原子等）进行操作。实例：实例：1993年8月，我国科学家利用超真空扫描隧穿显微镜，在一块晶体硅的表面通过探针的作用搬走原子，写下了“中国”两个汉字。（2 2）依赖于STM能够操纵原子的原理，诞生了一门在0.1100nm尺度空间内研究电子、原子、分子运动规律与特性的新科技纳米科技，纳米科技的最终目标是

7、人类能按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的新产品。 实例：实例：纳米电子学用量子器件代替微电子器件，这样现有的硅质芯片将被体积缩小数百倍的纳米管元件代替，巨型计算机将能随手放进口袋；纳米机器人可以随意进入我们身体的任何地方，帮助清除垃圾和病灶；易碎的陶瓷可以通过纳米化变成韧性的 下图所示为利用扫描隧穿显微镜观察的材料表面图片：图a为石墨表面的碳原子排列图：图b为IBM公司的科学家利用探针针尖端精确操纵原子而制作的“量子围栏”的照片，他们把48个铁原子载到了铜表面，并观察到了电子的波动图;图c为扫描隧穿显微镜观察到的血细胞照片；图d为石墨烯的表面照片。(a)(a)石墨表面石墨表面（b b）量子围栏）量子围栏（c c）