扫描隧道显微镜的原理及应用

扫描隧道显微镜的原理及应用第一页，共二十六页，2022年，8月28日

扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人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应成为可能。STM历史意义第二页，共二十六页，2022年，8月28日STM前的显微镜光学显微镜(荷兰人列文虎克发明),用于观察细胞.电子显微镜(德国科学家ErnstRuska和MaxKnoll发明),可以观察到比细胞更小的病毒.光学显微镜电子显微镜第三页，共二十六页，2022年，8月28日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.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，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示.总之,以上两种显微镜都不能用于研究物质的微观表面,人们急需一种能够观测物质表面结构的显微术.第四页，共二十六页，2022年，8月28日STM的发明发明人为德裔物理学家葛.宾尼(GerdBining)博士和他的导师海.罗雷尔(HeinrichRohrer)博士他们俩当时供职于IBM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,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.杨撰写的一篇有关“形貌仪”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.结果成功了!第五页，共二十六页，2022年，8月28日GerdBining，HeinrichRohrer和ErnstRuska荣获1986年的诺贝尔物理奖第六页，共二十六页，2022年，8月28日一STM工作原理

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流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。隧道效应

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。第七页，共二十六页，2022年，8月28日

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作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2所示。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I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p有关，其关系为I∝Uexp[-A(ps)1/2]，式中A为常量。如果s以0.1nm为单位，p以eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝Uexp[-(ps)1/2]

。第八页，共二十六页，2022年，8月28日

由此可见，隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离s极为敏感，如果s减小0.1nm，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，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。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。第九页，共二十六页，2022年，8月28日STM的结构常用的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3所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，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Lz上的电压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显示出来。第十页，共二十六页，2022年，8月28日STM的工作方式第十一页，共二十六页，2022年，8月28日恒流模式

利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定。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，应用广泛第十二页，共二十六页，2022年，8月28日恒高模式

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离s将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；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，即得到了STM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(如由同一种原子组成)的情形。第十三页，共二十六页，2022年，8月28日二STM的应用STM的应用优势:STM具有极高的分辨率STM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。STM的使用环境宽松。STM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来讲是较低的。第十四页，共二十六页，2022年，8月28日STM主要用于纳米技术上，常见的应用为：１．“看见”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电子云形态。我们通过STM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。

C60在硅晶面上的吸附取向实验第十五页，共二十六页，2022年，8月28日2．实现了单原子和单分子操纵

第十六页，共二十六页，2022年，8月28日单原子或单分子操纵方式：1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；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；3通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键。第十七页，共二十六页，2022年，8月28日3．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子，或是把单个分子拆开成几个分子或原子。最近研究成果:康奈尔大学Lee和Ho用STM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。

Park等人将碘代苯分子吸附在Cu单晶表面的原子台阶处，再利用STM针尖将碘原子从分子中剥离出来，然后用STM针尖将两个苯活性基团结合到一起形成一个联苯分子，完成了一个完整的化学反应过程。第十八页，共二十六页，2022年，8月28日4．在分子水平上构造分子器件

“从上到下”方法到“从下到上”方法的变化。相关研究成果:C60单分子开关

利用STM针尖压迫C60单分子，使C60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，电导又回复到原来的水平，因此可以把这个体系看成是一种“电力”开关。负微分电导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37nm长的DNA分子镊子第十九页，共二十六页，2022年，8月28日三在STM基础上发展起来的各种新型显微镜STM的缺点:有时分辨率差只能检测导体和部分半导体。工作条件受限制，如不能振动，探针材料可选择性低。第二十页，共二十六页，2022年，8月28日1原子力显微镜(AFM)

AtomicForceMicroscope第二十一页，共二十六页，2022年，8月28日原理：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相比STM的优点：可以扫描半导体和绝缘体第二十二页，共二十六页，2022年，8月28日2磁力显微镜(MFM)和静电力显微镜(EFM)

MagneticForceMicroscope

ElectrostaticForceMicroscope由于AFM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，采取抬起模式，即得到了MFM和EFM。第二十三页，共二十六页，2022年，8月28日3弹道电子发射显微镜（BEEM）

BallisticElectronEmissionMiroscope

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。第二十四页，共二十六页，2022年，8月28日4光子扫描隧道显微镜（PSTM）

Photonic