(前沿物理考查論文格式例文)

1、掃描隧道顯微鏡的原理及應(yīng)用綜述劉丹2006641471華中師范大學(xué)生物化學(xué)基地班摘要掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明打開了人類對微觀世界觀察的大門，使得人類在納米尺度上研究單一原子以及單一分子的反應(yīng)成為可能。本文簡要介紹了掃描隧道顯微鏡的工作原理以及掃描探針顯微技術(shù)在化學(xué)、生物及物理學(xué)等領(lǐng)域的作用和應(yīng)用前景。最后還揭示了其一定的局限性。關(guān)鍵字掃描隧道顯微鏡（STM）隧道效應(yīng)掃描隧道顯微術(shù)應(yīng)用引言圖1G.BinnigH.Rohrer在光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和性能得到不斷完善的同時(shí)，基于其它各種原理的顯微鏡也不斷問世。其中，1982年賓尼（G.Binnig）和羅雷爾（H.Rohrer）等人研制

2、成功的掃描隧道顯微鏡（STM）是顯微鏡領(lǐng)域的新成員。這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠?qū)崟r(shí)地觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和研究與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。兩位科學(xué)家因此與電子顯微鏡的發(fā)明者ERuska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。近年來，在STM的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了另一種掃描探針顯微鏡原子力顯微鏡（AFM）?，F(xiàn)在一般將STM和AFM合稱SPM（掃描探針顯微鏡）。二、隧道效應(yīng)和掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡的主要原理是利用量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)oSTM是一種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

3、的新型顯微裝置。若一質(zhì)量為H的粒子沿X軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其勢能函數(shù)可表示為V（於X-L）0（xVO,XL）勢能曲線如圖（書本P334figure12.9）這種形式的勢場稱為一維方勢壘,V為勢壘高度，L為勢壘寬度，二者均為有限量值。設(shè)一個(gè)能量為E（小于V）的粒子自左側(cè)入射到勢壘上。按經(jīng)典力學(xué)理論，粒子只能從壁壘被反射回來，絕不可能進(jìn)入勢壘，更不可能穿過勢壘而到達(dá)勢壘右側(cè)區(qū)域。因?yàn)榱Ｗ拥哪芰渴莿?dòng)能和勢能之和，而VE，若粒子進(jìn)入勢壘，就必然出現(xiàn)“負(fù)動(dòng)能”，顯然這是不可能的。但根據(jù)量子力學(xué)原理，由于粒子存在波動(dòng)性，當(dāng)一個(gè)粒子處在一個(gè)勢壘之中時(shí)，粒子越過勢壘出現(xiàn)在另一邊的幾率不為零，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。由于電

4、子的隧道效應(yīng)，金屬中的電子并不完全局限于金屬表面之內(nèi)，電子云密度并不在表面邊界處突變?yōu)榱?。在金屬表面以外，電子云密度呈指?shù)衰減，衰減長度約為1nm。用一個(gè)極細(xì)的、只有原子線度的金屬針尖作為探針，將它與被研究物質(zhì)即樣品的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品表面與針尖非常靠近距離V1nm）時(shí)，兩者的電子云略有重疊，如圖2所示。若在兩極間加上電壓J,在電場作用下，電子就會穿過兩個(gè)電極之間的勢壘，通過電子云的狹窄通道流動(dòng)，從一極流向另一極，形成隧道電流I。隧道電流I的大小與針尖和樣品間的距離S以及樣品表面平均勢壘的高度爐有關(guān)。若兩極間的波函數(shù)如書中所給337Box12.1Discussionquestions1）

5、,其中（V-E）即勢壘高度。則當(dāng)兩極之間加很小的直流電壓時(shí)，隧道電流密度為Jtoc圖2金屬表面與針尖的電子云其中A=4n（2m）/h由此可見，隧道電流I對針尖與樣品表面之間的距離s極為敏感，當(dāng)距離改變一個(gè)原子臺階的大?。?.2nm0.3nm）時(shí)，電流將改變1000倍。如Discussionquestions1中提供的情景，S從0.5nm增大至l0.6nm,V-E=2.0ev時(shí)，帶入數(shù)值計(jì)算，電流將減少一個(gè)數(shù)量級。因此，利用電子反饋線路來控制隧道電流的恒定（恒流模式），利用壓電陶瓷材料來控制針尖在樣品表面上的掃描，則探針在垂直于樣品方向上的高低變化，就反映出了樣品表面的起伏，然后通過微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)

6、處理。對于表面起伏不大的樣品，可以控制針尖高度恒定掃描（恒高模式），通過記錄隧道電流的表化來得至表面態(tài)密度的分布。Z膳機(jī)圖3STM的結(jié)構(gòu)總之，通俗的講，STM就是在給定的偏壓下（針尖和樣品之間）通過測量表面隧道電流和針尖與表面的距離對應(yīng)關(guān)系。可近似認(rèn)為，其測量的是表面的局域態(tài)密度的變化。而這種局域態(tài)密度與表面波函數(shù)密切相關(guān)，因此可近似認(rèn)為，STM能夠測量表面波函數(shù)。進(jìn)而，通過測量體系的I-V（隧道電流-偏壓）曲線（即隧道掃描譜，STS）就可以測量表面的局域能級和精細(xì)結(jié)構(gòu)，獲得研究對象的諸多信息。圖4二氧化鈦掃描隧道譜圖形此外，AFM也是利用細(xì)小的探針讀樣品表面進(jìn)行恒定高度的掃描,來對樣品進(jìn)行“

7、觀察”，但它不是通過隧道電流，而是一個(gè)激光裝置來監(jiān)測探針歲樣品表面的升降變化來獲取樣品表面形貌的信息，因此與STM不同，AFM可以用于對不具導(dǎo)電性，或者導(dǎo)電能力較差的樣品進(jìn)行觀察。利用光學(xué)中受抑全反射理論，人們還研制成功了光子掃描隧道顯微鏡（PSTM），它可以用于不導(dǎo)電樣品的觀測。三、掃描探針顯微技術(shù)的應(yīng)用SPM作為新型的顯微工具與以往的各種顯微鏡和分析儀器相比有明顯的優(yōu)勢：首先，SPM得到的是真實(shí)的樣品表面、原子級別的高分辨率圖象。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計(jì)算的方法來推算樣品的表面結(jié)構(gòu)。其次，由于TM在掃描時(shí)不接觸樣品，又沒有高能電子束轟擊，可以避免樣品的變形。而且，它的使用環(huán)境寬

8、松，不僅可以在真空中工作，還可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。SPM應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣。無論是物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，還是材料、微電子等應(yīng)用學(xué)科都有它的用武之地。比如，目前人們已利用STM直接觀察到DNA、RNA和蛋白質(zhì)等生物大分子及生物膜等結(jié)構(gòu)。具體而言，基于掃描探針顯微技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的單分子科學(xué)方法，使人們初步實(shí)現(xiàn)了直接研究和操縱單個(gè)原子和分子。如利厝PM確定單分子在襯底表面的吸附取向；直接觀測單個(gè)小分子的離解反應(yīng)；對單個(gè)分子內(nèi)的化學(xué)鍵進(jìn)行選擇性加工，并利用分子自身的特性，制備具有特殊性質(zhì)的電子學(xué)器件；直接測量單個(gè)共價(jià)鍵強(qiáng)度，研究分子與表面成鍵特征、電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)和襯

9、底對分子電子結(jié)構(gòu)的影響；研究生物大分子在溶液中切害9,單鏈折疊和組裝過程。同樣的，也可以利AAFM技術(shù)通過拆分DNA雙鏈來測量DNA的兩條鏈間堿基配對的作用力等等。此外，SPM技術(shù)，尤其是STM和AFM技術(shù)已成為分析納米結(jié)構(gòu)的有力的常用技術(shù)手段。利用這些先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的單分子識別與控制，構(gòu)筑納米結(jié)構(gòu)基元，還可以準(zhǔn)確快捷測定各種納米結(jié)構(gòu)與性能。四、掃描隧道顯微鏡的局限性和改進(jìn)掃描隧道顯微鏡至問世以來，已迅速成為許多實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)儀器，隨著其應(yīng)用研究的深化和擴(kuò)展，其弊端和不足也日益顯現(xiàn)。主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）掃描探針對觀測具有高取向結(jié)構(gòu)的表面，可獲得比較明確的解析，而對絕大部分多晶或

10、非晶材料的STS圖象解釋難度很大；（2）SPM技術(shù)只能獲得表面結(jié)構(gòu)形貌圖象，缺乏化學(xué)敏感性，難以與表面微區(qū)化學(xué)組分、微區(qū)電化學(xué)相互關(guān)聯(lián)。鑒于此，發(fā)展復(fù)合型掃描探針技術(shù)已成為國際研究熱點(diǎn)，如近年來發(fā)展的近場掃描光學(xué)顯微鏡NSOM），可同時(shí)直接測量表面微區(qū)化學(xué)組分和表面微觀形貌。同時(shí)，國際上還開始探索研制各種聯(lián)用技術(shù)，已獲得更新、更深層次的研究信息，使人們對客觀世界的認(rèn)識得一不斷的深化五、結(jié)束語“一粒沙里一世界，一朵花里一天堂?！庇捎谏砩系南拗疲祟悆H憑肉眼是不可能分辨這微觀的“世界”的。然而，從古至今，人類對自然的探索和對未知微觀世界的研究從未停止過。顯微鏡的發(fā)明為人類進(jìn)軍微觀世界創(chuàng)造了可能性，而掃描探針顯微鏡的發(fā)明則吹響了人類進(jìn)軍原子尺度的號角。相信在不久的將來，還會出現(xiàn)更加先進(jìn)、極具創(chuàng)新性的復(fù)合型顯微鏡，促使人類在微觀領(lǐng)域取得新的突破！參考文獻(xiàn)白春禮.掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用.上