STM的原理和应用

1、发 明原 理应 用发 展Auguries of InnocenceWilliam Blake, 1863To see a World in a Grain of SandAnd a Heaven in a Wild Flower,Hold Infinity in the palm of your handAnd Eternity in an hour.扫描隧道显微镜的发明STM的工作原理（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流） STM的结构STM的工作方式l恒电流模式STM有明显的优势l具有极高的分辨率l得到的是实时的、真

2、实的样品表面的高分辨率图象l使用环境宽松l应用领域是宽广的l价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的STM的应用STM最重要的用途在于纳米技术上 “许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。不幸的是，目前对这一新领域持保留和怀疑态度的还大有人在。我们应当记住，微米曾同样地被认为对使用牛耕地的农民无

3、关紧要。的确，微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。” “看见”了以前所看不到的东西实现了单原子和单分子操纵l利用STM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发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式l通过某些外界作用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表面l通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键单分子化学反应已经成为现实在分子水平上构造电子学器件l我们知道，一般情况下金属和半导体材料具有正的电导，即流过材料的电流随着所施加的电压的增大而增加。但在单分子尺度下，由于量子能级与量子隧穿

4、的作用会出现新的物理现象负微分电导。中国科技大学的科学家仔细研究了基于C60分子的负微分电导现象。他们利用STM针尖将吸附在有机分子层表面的C60分子“捡起”，然后再把粘有C60分子的针尖移到另一个C60分子上方。这时，在针尖与衬底上的C60分子之间加上电压并检测电流，他们获得了稳定的具有负微分电导效应的量子隧穿结构。这项工作通过对单分子操纵构筑了一种人工分子器件结构。这类分子器件一旦转化为产品，将可广泛的用于快速开关、震荡器和锁频电路等方面，这可以极大地提高电子元件的集成度和速度。l近年来，科学家在构造和组装分子尺度的机械设备方面取得了不少重要成果，已设计出了类似齿轮、开关、转栅等简单装置的

5、分子器件。例如：已经有科学家报道了用DNA分子制造出一种可以反复开合的镊子，而其每条臂的长度只有个纳米。我们相信，通过物理、化学、分子生物学、电子学和材料科学的合作，一类基于单原子、单分子的纳米尺度的电子学器件将逐步涌现，并最终转化为造福于我们生活的产品。l这是科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景。我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的蓝色小球称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。 科学家一直在研究微生

6、物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。在STM基础上发展起来的各种新型显微镜扫描隧道显微镜的局限性:l扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差.l扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象

7、对真实表面的分辨率。l扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。原子力显微镜（AFM）l一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。从这里我们可以看出，原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。 弹道电子发射显微镜（BEEM）l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BEEM为界面的研究提供了有价值的数据。近场光学显微镜（Scanning Near-field Optical Microscope） l将一个同时具有传输激光和接收信号功能的光纤微探针移近样品表面，微探针表面除了尖端部分以外均镀有金属层以防止光信号泄露，探针的尖端未镀金属层的裸露部分用于在微区发射激光和接收信号。当控制光纤