扫描隧道显微镜的原理及应用

1、扫描隧道显微镜的原理和应用扫描隧道显微镜的原理和应用 扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。应成为可能。STM历史意义历史意义STM前的显微镜 光学显微镜光学显微镜(荷兰人列文虎克发明荷兰人列文虎克发明),用于观用于观察细胞察细胞. 电子显微镜电子显微镜(德国科学家德国科学家Ernst Ruska和和Max Knoll发明发明),可以观察到比细胞更小的可以观察到比细胞更小的病毒病毒.光学显微镜光学显微镜电子显

2、微镜电子显微镜光学显微镜和电子显微镜的缺陷光学显微镜和电子显微镜的缺陷 光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子光学显微镜不能观察到纳米级的微观粒子. 电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低电子显微镜由于高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示镜很少能对表面结构有所揭示.总之总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表面面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.STM的发明的发明 发明人为德裔物理学家葛发明人为德

3、裔物理学家葛.宾尼宾尼(Gerd Bining)博士和他的博士和他的导师海导师海.罗雷尔罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士博士 他们俩当时供职于他们俩当时供职于IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室公司设在瑞士苏黎士的实验室. 他们的研究方向为超导隧道效应他们的研究方向为超导隧道效应,并不是专门为了发明并不是专门为了发明STM 一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特一个偶然的机会他们读到了物理学家罗伯特.杨撰写的一杨撰写的一篇有关篇有关“形貌仪形貌仪”的文章。这篇文章让他们产生利用导体的文章。这篇文章让他们产生利用导体的隧道效应来探测物体表面的想法的隧道效应来探测物体表面的想法. 结果成功

4、了结果成功了! Gerd Bining ， Heinrich Rohrer和和Ernst Ruska荣获荣获1986年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖一一 STM工作原理工作原理 扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。隧道效应隧道效应 根据量子力学原理，由于粒子存在根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为

5、零，这种子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。现象称为隧道效应。 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质作为探针，将它与被研究物质(称为样品称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非

6、常靠近与针尖非常靠近(距离距离1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图时，两者的电子云略有重叠，如图 2 所示。所示。若在两极间加上电压若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离的大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度以及样品表面平均势垒的高度p有关，其关系为有关，其关系为 IUexp-A(ps)1/2 ，式中，式中 A 为常量。如果为常量

7、。如果s以以0.1nm为单为单位，位，p以以 eV为单位，则在真空条件下，为单位，则在真空条件下，A1，I Uexp-(ps)1/2 。 由此可见，隧道电流由此可见，隧道电流 I 对针尖与样对针尖与样品表面之间的距离品表面之间的距离 s 极为敏感，如果极为敏感，如果 s 减小减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样仪器和计算机，在屏幕上即

8、显示出与样品表面结构相关的信息。品表面结构相关的信息。STM的结构的结构常用的常用的 STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图 3 所所示，示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在方向上的运动。在Lx、Ly上施加电上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在，并以此反馈控制施加在Lz上上的电压的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。

9、显示出来。STM的工作方式的工作方式恒流模式恒流模式 利用一套电子反馈线路控制隧道电流利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即保持针尖与样品表面在样品表面扫描，即保持针尖与样品表面之间的局域高度不变，针尖随着样品表面之间的局域高度不变，针尖随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这种工作方式获信息也就由此反映出来。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛广泛恒高模式恒高模式 在对样品进

10、行扫描过程中保持针尖的绝对在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离离 s 将发生变化，隧道电流将发生变化，隧道电流I的大小也随着的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到化，并转换成图像信号显示出来，即得到了了 STM显微图像。这种工作方式仅适用于显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同如由同一种原子组成一种原子组成)的情形。的情形。二二 STM的应用的应用STM的应用优势的应用优势: ST

11、M具有极高的分辨率具有极高的分辨率 STM得到的是实时的、真实的样品表面的得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。高分辨率图象。 STM的使用环境宽松。的使用环境宽松。 STM的应用领域是宽广的的应用领域是宽广的 STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。来讲是较低的。STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：主要用于纳米技术上，常见的应用为：“看见看见”了以前所看不到的东西了以前所看不到的东西 STM所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的所观察到的并不是真正的原子或分子，而只是这些原子或分子的电子云形态。我们通过电子云形态。我们

12、通过STM所获得的分子图象将不是与分子内部的原所获得的分子图象将不是与分子内部的原子排列一一对应的。子排列一一对应的。 C60在硅晶面上的吸附取向实验在硅晶面上的吸附取向实验2实现了单原子和单分子操纵实现了单原子和单分子操纵 单原子或单分子操纵方式：单原子或单分子操纵方式：1 利用利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为发生横向移动，具体又可分为“牵引牵引”、“滑动滑动”、推动、推动”三种方式；三种方式；2 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，通过某些外界作用

13、将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面；表面；3 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。破坏它的化学键。3单分子化学反应已经成为现实单分子化学反应已经成为现实 可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分可以一个个地将单个的原子放在一起以构成一个新的分子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。最近研究成果最近研究成果:1 康奈尔大学康奈尔大学Lee和和Ho用用STM来控制单个的来控制单个的CO分子与分子与Ag(110)表面表面的单个的

14、单个Fe原子在原子在13K的温度下成键，形成的温度下成键，形成FeCO和和Fe(CO)2分子。分子。2 Park等人将碘代苯分子吸附在等人将碘代苯分子吸附在 Cu单晶表面的原子台阶处，再单晶表面的原子台阶处，再利利 用用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用 STM针尖针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。整的化学反应过程。4在分子水平上构造分子器件在分子水平上构造分子器件 “从上到下从上到下”方法到方法到“从下到上从下到上”方法的变化。方法的变化。相关研究成

15、果相关研究成果:1 C60单分子开关单分子开关 利用利用STM针尖压迫针尖压迫C60单分子，使单分子，使C60分子变形，从而通过改变其内部的分子变形，从而通过改变其内部的结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来结构而使其电导增加了两个数量级。当压力除去后，电导又回复到原来的水平，因此可以把这个体系看成是一种的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力电力”开关。开关。2 负微分电导负微分电导中国科技大学的科学家利用中国科技大学的科学家利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子分子“捡起捡起”，然后再把粘有，然后再把粘有C60分子的针尖移到另

16、一个分子的针尖移到另一个 C60分子上方。这时，分子上方。这时，在针尖与衬底上的在针尖与衬底上的 C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构的具有负微分电导效应的量子隧穿结构3 7nm长的长的DNA分子镊子分子镊子 三三 在在STM基础上发展起来的各种新基础上发展起来的各种新型显微镜型显微镜STM的缺点的缺点: 有时分辨率差有时分辨率差 只能检测导体和部分半导体。只能检测导体和部分半导体。 工作条件受限制，如不能振动，探针材料工作条件受限制，如不能振动，探针材料可选择性低。可选择性低。 1 原子力显微镜原子力显微

17、镜(AFM)Atomic Force Microscope原理原理：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的：利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与样品表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根表面原子间的作用力会使悬臂弯曲，偏离原来的位置。根据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就据扫描样品时探针偏离量或其它反馈量重建三维图像，就能间接获得样品表面的形貌图能间接获得样品表面的形貌图相比相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体的优点：可以扫描半导体和绝缘体2 磁力显微

18、镜磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜和静电力显微镜(EFM)Magnetic Force Microscope Electrostatic Force Microscope 由于由于AFM只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间只利用了探针与样品间的短程力，考虑它们之间存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取抬起模存在的长程力，如磁作用力和静电作用力后，采取抬起模式，即得到了式，即得到了MFM和和EFM。3弹道电子发射显微镜（弹道电子发射显微镜（BEEM）Ballistic Electron Emission Miroscope 按照按照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，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，探针会向样品发射电子，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探针会向样品发射电子，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