掃描隧道電子顯微鏡

1、掃描隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡SCANNING TUNNELING MICROSCOP簡 稱 STM發(fā)明者 格爾德賓寧什么是掃描隧道電子顯微鏡掃描隧道電子顯微鏡(scanning tunneling microscope，STM)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的第三種能夠直接觀察到單個(gè)原子像的根據(jù)量子隧道效應(yīng)來獲取反映樣品表面形貌及電子態(tài)圖像的一種新型顯微鏡。STMSTM的工作原理的工作原理 掃描隧道顯微鏡是根據(jù)量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。隧道效應(yīng)是量子力學(xué)中的微觀粒子所具有的特性，即在電子能量低于它要穿過的勢壘高度時(shí)，由

2、于電子具有波動性而具有穿過勢壘的幾率。 由于電子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限在表面邊界之內(nèi)，即電子的密度并不在表面邊界突然降為零，而是在表面以外呈指數(shù)衰減；衰減長度約為 1nm，它是電子逸出表面勢壘的量度。如果兩塊金屬互相靠得很近，它們的電子云就可能發(fā)生重疊；如果在兩金屬間加一微小電壓，那就可以觀察到它們之間的電流(稱為隧道電流)。同時(shí)，物體表面的高低會影響隧道電流的大小，針尖隨著物體表面的高低上下移動以維持穩(wěn)定的電流，依此來觀測物體表面的形貌。STM的工作模式 盡管掃描隧道電子顯微鏡的構(gòu)型各不相同, 但都包括有下述三個(gè)主要部分：驅(qū)動探針相對于導(dǎo)電試樣表面作三維運(yùn)動的機(jī)械系統(tǒng)(鏡體)，

3、用于控制和監(jiān)視探針與試樣之間距離的電子系統(tǒng)和把測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像的顯示系統(tǒng)。它有兩種工作方式：恒流模式、恒高模式。STM的工作模式恒電流模式利用一套電子反饋線路控制隧道電流，使其保持恒定。再通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿 x、y 兩個(gè)方向作二維運(yùn)動。由于要控制隧道電流不變,針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運(yùn)動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，掃描隧道電子顯微鏡得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖像信息全面，顯微圖象質(zhì)量高，應(yīng)用廣泛。恒高度模式 在對樣品進(jìn)行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖

4、與樣品表面的局域距離將發(fā)生變化，隧道電流 I 的大小也隨著發(fā)生變化；通過計(jì)算機(jī)記錄隧道電流的變化，并轉(zhuǎn)換成圖像信號顯示出來，,即得到了掃描隧道電子顯微鏡顯微圖。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一。掃描隧道顯微鏡 - 基本結(jié)構(gòu)隧道針尖三維掃描控制器減震系統(tǒng)電子學(xué)控制系統(tǒng)離線數(shù)據(jù)分析軟件主要特點(diǎn) 掃描隧道顯微鏡具有以下特點(diǎn) 1、高分辨率 掃描隧道顯微鏡具有原子級的空間分辨率，其橫向空間分辨率為 l ，縱向分辨率達(dá)0.1 . 可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。 2、

5、掃描隧道顯微鏡可直接探測樣品的表面結(jié)構(gòu)，繪出立體三維結(jié)構(gòu)圖像。并且可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動態(tài)過程的研究。 3、掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是三態(tài)（固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)）物質(zhì)均可進(jìn)行觀察，而普通電鏡只能觀察制作好的固體標(biāo)本，由于沒有高能電子束， 對表面沒有破壞作用(如輻射，熱損傷等)，所以能對生理狀態(tài)下生物大分子和活細(xì)胞膜表面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，樣品不會受到損傷而保持完好。 4、掃描隧道顯微鏡的掃描速度快，獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間短，成像也快，有可能開展生命過程的動力學(xué)研究。 5、不需任何透鏡， 體積小，有人稱

6、之為“口袋顯微鏡”(pocket microscope)。 6、配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。缺點(diǎn) 1、在掃描隧道顯微鏡(STM)的恒電流工作模式下，有時(shí)它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。對鉑超細(xì)粉末的一個(gè)研究實(shí)例:鉑粒子之間的溝槽被探針掃描過的曲面所蓋，在形貌圖上表現(xiàn)得很窄，而鉑粒子的粒徑卻因此而被增大了。在TEM的觀測中則不會出現(xiàn)這種問題。 在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時(shí)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。 2、掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖像對真實(shí)表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。應(yīng)用與展望應(yīng)用與展望 掃描隧道電子顯微鏡的出現(xiàn)為人類認(rèn)識和改造微觀世界提供了一個(gè)極其重要的新型工具。隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷完善,STM 將在單原子操縱和納米技術(shù)等諸多研