掃描隧道顯微鏡

ScanningTunnelingMicroscope(STM)掃描隧道顯微鏡發(fā)明背景1234新型顯微鏡STM發(fā)明工作原理掃描隧道顯微鏡發(fā)明前的微觀形貌檢測技術

任何一項發(fā)明都不是憑空產生的，都是在前面的工作的基礎上的進化。掃描隧道顯微鏡也不例外。掃描隧道顯微鏡是用來檢測微觀形貌的，在其發(fā)明以前，就有幾種微觀形貌檢測技術了，只是分辨率較低。表面微觀形貌的測量，從原理上可以分為兩類：第一類是光成像，包括光折射放大成像和光干涉成像。光折射放大成像檢測方法的代表是光學顯微鏡和透射電子顯微鏡；光干涉成像法的代表是光干涉顯微鏡和TOPO移相干涉儀。第二類是對試件表面進行掃描，逐點檢測，從而獲得表面微觀形貌的信息。這一類檢測方法的代表是表面輪廓儀和掃描電子顯微鏡（SEM）1.光學顯微鏡

光學顯微鏡是在光學放大鏡基礎上發(fā)明的，放大鏡的物體形貌分辨率可達到0.1mm。1665年發(fā)明了光學顯微鏡，它可將被測物體放大數(shù)百倍。光學顯微鏡經過多次改進，現(xiàn)在的放大倍數(shù)達到1250倍。如果再采用油浸鏡頭或用紫外光，放大倍數(shù)還能在提高一些。光學顯微鏡使用方便，應用廣泛，但受光波波長的限制，放大倍數(shù)無法再提高。2.透射電子顯微鏡（TEM）

TEM出現(xiàn)在20世紀30年代，到50年代進入實用階段。透射電子顯微鏡和光學顯微鏡的原理極為相似，只是用波長極短的電子束代替了可見光線，用靜電或磁透鏡代替光學玻璃透鏡，最后在熒光屏上成像。TEM的放大倍數(shù)極高，點分辨率可達0.3nm，線分辨率可達0.144nm，已達原子級分辨率。用TEM觀察物體內部顯微結構時，可看到原子排列的晶格圖像，并已觀察到某些重金屬原子的投影圖像。用TEM檢測時，試件需放在真空室內。

TEM是通過電子束透過試件而放大成像的，電子束穿透材料的能力不強，故試件必須做得極薄，加工這種極薄的試件有相當難度，故TEM的適用范圍有限。3.表面輪廓儀

用探針對試件表面形貌進行接觸測量是一種古老的方法。隨著測量技術的提高，現(xiàn)在的測量表面粗糙度的輪廓儀，分辨率達0.05um以上。為了避免探針尖磨損，用金剛石制造。探針尖曲率半徑在0.05um左右，這就限制了測量分辨率的提高，且測量時針尖有一定力壓向試件，容易劃傷試件。

一些新式的輪廓儀配備了X、Y雙向精密微動工作臺，探針在試件表面進行X、Y雙向往復掃描，再用計算機處理信息，可以得到表面微觀形貌的三維立體圖像。這種輪廓儀的檢測原理和近代的STM、SPM和AFM極為相似，只是后者使用了更尖銳的探針和更靈敏的探針位移檢測方法。4.掃描電子顯微鏡（SEM）

SEM從20世紀60年代開始應用以來，使用日漸廣泛。它的工作原理是利用高能量、細聚焦的電子束在試件表面掃描，激發(fā)二次放電，利用二次放電信息對試件表面的組織或形貌進行檢測、分析和成像的一種電子光學儀器。SEM的放大倍率在10-150000范圍內連續(xù)可調，試件在真空室中可按觀察需要進行升降、平移、旋轉或傾斜。

SEM在普通熱鎢絲電子槍條件下，分辨率為5-6nm，如用場發(fā)射電子槍，分辨率可達2-3nm。SEM的景深很大，對表面起伏很大的形貌也能得到很好的圖像。只是放大倍數(shù)較低，達不到原子級的分辨率。5.場發(fā)射形貌描繪儀

場發(fā)射原理在1956年由R.Young提出，但直到1971年R.Young和J.Ward才提出了應用場發(fā)射原理的形貌描繪儀。它在基本原理和操作上，是最接近掃瞄隧道顯微鏡的儀器。探針尖裝在頂塊上，可由X向和Y向壓電陶瓷驅動，做X向和Y向掃描運動。試件裝在下面的Z向壓電陶瓷元件上，由反饋電路控制，保持針尖和試件間的距離。R.Young使用的針尖曲率半徑為幾十納米，針尖和試件間的距離為100nm。在試件上加正高壓后，針尖與試件間產生場發(fā)射電流。

探針在試件表面掃描，可根據場發(fā)射電流的大小，檢測出試件表面的形貌。R.Young用形貌描繪儀繼續(xù)進行研究，發(fā)現(xiàn)當探針尖與試件間距離很近時，較小的外加偏壓Vb即可產生隧道電流，并且隧道電流Is的大小對距離z極為敏感。他們觀察到的Is和Vb間為線性關系時，估計針尖-試件間的距離為1.2nm?？上麄兊难芯康酱藶橹梗m然已經有了以上發(fā)現(xiàn)，但是未在檢測試件形貌時利用隧道電流效應，于一項重大發(fā)明失之交臂，甚為可惜。5.場發(fā)射形貌描繪儀發(fā)明背景1234新型顯微鏡STM發(fā)明工作原理掃描隧道顯微鏡的發(fā)明

1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼和?！ち_雷爾研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicroscope，簡稱STM）．STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關的物化性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣泛的應用前景，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一．為表彰STM的發(fā)明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金．GerdBiningHernrichRohere

在他們的諾貝爾獎講演中，很遺憾地談到，假如R.Young（場發(fā)射形貌描繪儀的發(fā)明者）能夠及時意識到真空中隧道效應的重要性，假如他能及時想到縮小針尖與試件表面間的距離，那么STM公布發(fā)表時的發(fā)明人名字就是R.Young了。遺憾的是，他們沒有意識到這一點，更沒有去縮短那一點微不足道的該死的微小距離，于是他們發(fā)明的所謂形貌描繪儀只能永遠地在歷史上被記載為一種最接近STM的顯微儀器了。令人惋惜的還有，R.Young還曾認真研究改進他們的儀器，并試驗過一些辦法，但收效甚微。他曾一度想到了隧道效應，并還討論了譜圖學方向的應用，但唯獨沒有想到應用到他的形貌描繪以上。僅此一步沒有深入下去，就使他們和一項重大科技發(fā)明失之交臂，而空自嘆息。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明世界上第1臺掃描隧道顯微鏡世界上第1臺掃描隧道顯微鏡世界上第1臺掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡的發(fā)明

由于STM具有極高的空間分辨能力(平行方向的分辨率為0.04nm，垂直方向的分辨率達到0.01nm)、它的出現(xiàn)標志著納米技術研究的一個最重大的轉折，甚至可以說標志著納米技術研究的正式起步，因為在此之前人類無法直接觀察表面上的原子和分子結構，使納米技術的研究無法深入地進行。利用STM，物理學家和化學家可以研究原子之間的微小結合能，制造人造分子；生物學家可以研究生物細胞和染色體內的單個蛋白質和DNA分子的結構，進行分子切割和組裝手術；材料學家可以分析材料的晶格和原子結構．考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子學家則可以加工小至原子尺度的新型量子器件。發(fā)明背景1234新型顯微鏡STM發(fā)明工作原理掃描隧道顯微鏡的工作原理

圖是STM的基本原理圖，其主要構成有：頂部直徑約為50—100nm的極細金屬針尖(通常是金屬鎢制的針尖)，用于三維掃描的三個相互垂直的壓電陶瓷(Px，Py，Pz)，以及用于掃描和電流反饋的控制器(Controller)等。

STM的工作原理掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學中的隧道效應。對于經典物理學來說，當一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這個現(xiàn)象稱為隧道效應。隧道效應是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應才會顯著。經計算，透射系數(shù)T為：

T與勢壘寬度a，能量差(V0-E)以及粒子的質量m有著很敏感的關系。隨著勢壘厚(寬)度a的增加，T將指數(shù)衰減，因此在一般的宏觀實驗中，很難觀察到粒子隧穿勢壘的現(xiàn)象。掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近(通常小于1nm)時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。（隧道探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應具有一定的導電性才可以產生隧道電流）隧道電流I是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離S以及平均功函數(shù)Φ有關：

（Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，Φ1和Φ2分別為針尖和樣品的功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1）隧道電流強度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關系，當距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。STM的結構常用的STM針尖安放在一個可進行三維運動的壓電陶瓷支架上，如圖所示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運動。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流I，并以此反饋控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計算機的測量軟件和數(shù)據處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。STM的工作方式恒電流模式恒高度模式恒電流模式

x-y方向進行掃描，在z方向加上電子反饋系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進時，反饋系統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品表面掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品表面的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察表面形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅動的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值。恒高度模式在掃描過程中保持針尖的高度不變，通過記錄隧道電流的變化來得到樣品的表面形貌信息。這種模式通常用來測量表面形貌起伏不大的樣品。隧道針尖隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的分辨率和圖象的形狀，而且也影響著測定的電子態(tài)。針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率，從而可以減少相位滯后，提高采集速度。如果針尖的尖端只有一個穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高，就不會涉及系列勢壘。例如，針尖表面若有氧化層，則其電阻可能會高于隧道間隙的阻值，從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前，二者就發(fā)生碰撞。目前制備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成型法等。制備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑-銥合金絲等。鎢針尖的制備常用電化學腐蝕法。而鉑-銥合金針尖則多用機械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。隧道針尖掃描隧道顯微鏡下圖發(fā)明背景1234新型顯微鏡STM發(fā)明工作原理掃描隧道顯微鏡的局限性:掃描隧道顯微鏡在恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測，與此相關的分辨率較差.掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性，對于半導體，觀測的效果就差于導體，對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層，則由于導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。掃描隧道顯微鏡的工作條件受限制，如運行時要防振動，探針材料在南方應選鉑金，而不能用鎢絲，鎢探針易生銹。在STM基礎上發(fā)展起來的各種新型顯微鏡磁力顯微鏡（MFM）摩擦力顯微鏡（LFM）靜電力顯微鏡（EFM）彈道電子發(fā)射顯微術（BEEN）掃描離子電導顯微鏡（SICN）掃描熱顯微鏡掃描隧道電位儀（STP）光子掃描隧道顯微鏡（PSTN）掃描近場光學顯微鏡（SNOM）在STM基礎上發(fā)展起來的一系列掃描探針顯微鏡擴展了微觀尺度的顯微技術，為納米乃至微觀技術的發(fā)展提供了很好的技術支持。原子力顯微鏡（AFM）一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當探針輕微地接觸樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉換成光電信號并進行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。從這里我們可以看出，原子力顯微鏡設計的高明之處在于利用微懸臂間接地感受和放大原子之間的作用力，從而達到檢測的目的。

彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）按照STM的工作原理當探針與樣品的距離非常近時，由于探針的電勢場高于樣品，探針會向樣品發(fā)射電子，這些隧道電子進入樣品到達界面時，雖然大部分電子的能量由于被衰減而被樣品勢壘反彈回來，但是仍有少量能量較高的分子能夠穿透界面到達下層材料，這些穿透過界面的分子成為彈道分子。由于彈道分子在穿過界面時攜帶了許多有關界面的信息，因此BEEM為界面的研究提供了有價值的數(shù)據。近