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(shù)

任何一項發(fā)明都不是憑空產(chǎn)生的，都是在前面的工作的基礎(chǔ)上的進(jìn)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(shù)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(xué)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(jìn)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(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡是在光學(xué)放大鏡基礎(chǔ)上發(fā)明的，放大鏡的物體形貌分辨率可達(dá)到0.1mm。1665年發(fā)明了光學(xué)顯微鏡，它可將被測物體放大數(shù)百倍。光學(xué)顯微鏡經(jīng)過多次改進(jìn)，現(xiàn)在的放大倍數(shù)達(dá)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(xué)顯微鏡使用方便，應(yīng)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(jì)30年代，到50年代進(jìn)入實用階段。透射電子顯微鏡和光學(xué)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(xué)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(dá)0.3nm，線分辨率可達(dá)0.144nm，已達(dá)原子級分辨率。用TEM觀察物體內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)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(nèi)。

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(qiáng)，故試件必須做得極薄，加工這種極薄的試件有相當(dāng)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(jìn)行接觸測量是一種古老的方法。隨著測量技術(shù)的提高，現(xiàn)在的測量表面粗糙度的輪廓儀，分辨率達(dá)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(jìn)行X、Y雙向往復(fù)掃描，再用計算機(jī)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(jì)60年代開始應(yīng)用以來，使用日漸廣泛。它的工作原理是利用高能量、細(xì)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(jìn)行檢測、分析和成像的一種電子光學(xué)儀器。SEM的放大倍率在10-150000范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，試件在真空室中可按觀察需要進(jìn)行升降、平移、旋轉(zhuǎn)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(dá)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(dá)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(yīng)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(qū)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(chǎn)生場發(fā)射電流。

探針在試件表面掃描，可根據(jù)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(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)探針尖與試件間距離很近時，較小的外加偏壓Vb即可產(chǎn)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(guān)系時，估計針尖-試件間的距離為1.2nm。可惜他們的研究到此為止，雖然已經(jīng)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(yīng)，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?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)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(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)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(yīng)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(yuǎn)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(rèn)真研究改進(jìn)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(yīng)，并還討論了譜圖學(xué)方向的應(yīng)用，但唯獨沒有想到應(yīng)用到他的形貌描繪以上。僅此一步?jīng)]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(dá)到0.01nm)、它的出現(xiàn)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的一個最重大的轉(zhuǎn)折，甚至可以說標(biāo)志著納米技術(shù)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(jié)構(gòu)，使納米技術(shù)的研究無法深入地進(jìn)行。利用STM，物理學(xué)家和化學(xué)家可以研究原子之間的微小結(jié)合能，制造人造分子；生物學(xué)家可以研究生物細(xì)胞和染色體內(nèi)的單個蛋白質(zhì)和DNA分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子切割和組裝手術(shù)；材料學(xué)家可以分析材料的晶格和原子結(jié)構(gòu)．考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子學(xué)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(gòu)成有：頂部直徑約為50—100nm的極細(xì)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(xué)中的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)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(xué)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(yīng)。隧道效應(yīng)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(yīng)才會顯著。經(jīng)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(zhì)量m有著很敏感的關(guān)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(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)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(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)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(guān)：

（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(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)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(jìn)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(jié)構(gòu)常用的STM針尖安放在一個可進(jìn)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(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)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(jìn)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(dāng)樣品表面凸起時，針尖就向后退；反之，樣品表面凹進(jìn)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(qū)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(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)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(jié)構(gòu)應(yīng)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(xué)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(dǎo)致針尖和樣品間產(chǎn)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(xué)腐蝕法、機(jī)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(xué)腐蝕法。而鉑-銥合金針尖則多用機(jī)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(zhǔn)確探測，與此相關(guān)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(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(yīng)選鉑金，而不能用鎢絲，鎢探針易生銹。在STM基礎(chǔ)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(shù)（BEEN）掃描離子電導(dǎo)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(xué)顯微鏡（SNOM）在STM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一系列掃描探針顯微鏡擴(kuò)展了微觀尺度的顯微技術(shù)，為納米乃至微觀技術(shù)的發(fā)展提供了很好的技術(shù)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(dāng)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(chǎn)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(zhuǎn)換成光電信號并進(jìn)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(shè)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(dá)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(dāng)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(jìn)入樣品到達(dá)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(dá)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(guān)界面的信息，因此BEEM為界面的研究提供了有價值的數(shù)據(jù)。近