STM的原理和應(yīng)用

張博0410250物理學(xué)(photo1)宋偉0410291物理學(xué)(photo2)羅旭0410275應(yīng)用物理STM的原理和應(yīng)用STM的原理和應(yīng)用發(fā)明原理應(yīng)用發(fā)展AuguriesofInnocenceWilliamBlake,1863ToseeaWorldinaGrainofSandAndaHeaveninaWildFlower,HoldInfinityinthepalmofyourhandAndEternityinanhour.掃描隧道顯微鏡的創(chuàng)造光學(xué)顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡的分辨率只能到達(dá)10-7m.電子顯微鏡的創(chuàng)造開創(chuàng)了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，掃描電子顯微鏡〔SEM〕的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子顯微鏡〔HTEM〕和掃描透射電子顯微鏡STEM〕可以到達(dá)原子級的分辨率——0．1nm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)和真空條件．場離子顯微鏡〔FIM〕是一種能直接觀察外表原子的研究裝置，但只能探測半徑小于100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣品制備復(fù)雜，可用來作為樣品的材料也十分有限.X射線衍射和低能電子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行研究．1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼和海·羅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)外表的排列狀態(tài)和與外表電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在外表科學(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的創(chuàng)造者們對科學(xué)研究所作出的杰出奉獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金．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。掃描隧道顯微鏡的根本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的外表作為兩個電極，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，我們可以得到樣品外表微小的上下起伏變化的信息，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外表形貌圖，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，如下圖，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，便可使針尖沿外表掃描；測量隧道電流I，并以此反響控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計算機的測量軟件和數(shù)據(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方向加上電子反響系統(tǒng)，初始隧道電流為一恒定值，當(dāng)樣品外表凸起時，針尖就向后退；反之，樣品外表凹進(jìn)時，反響系統(tǒng)就使針尖向前移動，以控制隧道電流的恒定。將針尖在樣品外表掃描時的運動軌跡在記錄紙或熒光屏上顯示出來，就得到了樣品外表的態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。此模式可用來觀察外表形貌起伏較大的樣品，而且可以通過加在z方向上驅(qū)動的電壓值推算外表起伏高度的數(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外表形貌信息。這種模式通常用來測量外表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，針尖外表假設(shè)有氧化層，那么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-銥合金針尖那么多用機械成型法，一般直接用剪刀剪切而成。壓電陶瓷由于儀器中要控制針尖在樣品外表進(jìn)行高精度的掃描，用普通機械的控制是很難到達(dá)這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。所謂壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機械力發(fā)生形變時會產(chǎn)生電場，或給晶體加一電場時晶體會產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質(zhì)，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。STM有明顯的優(yōu)勢具有極高的分辨率得到的是實時的、真實的樣品外表的高分辨率圖象使用環(huán)境寬松應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的STM的應(yīng)用STM最重要的用途在于納米技術(shù)上“許多人認(rèn)為納米科技僅僅是遙遠(yuǎn)的未來根底科學(xué)的事情，而沒有什么實際意義。但我確信納米科技已經(jīng)具有與150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)根底，最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)開展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家。不幸的是，目前對這一新領(lǐng)域持保存和疑心態(tài)度的還大有人在。我們應(yīng)當(dāng)記住，微米曾同樣地被認(rèn)為對使用牛耕地的農(nóng)民無關(guān)緊要。確實，微米與牛和耕犁毫無關(guān)系，但它卻改變了耕作方式，帶來了拖拉機?！薄翱匆姟绷艘郧八床坏降臇|西STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點一到零點幾個納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物質(zhì)外表結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。實現(xiàn)了單原子和單分子操縱利用STM針尖與吸附在材料外表的分子之間的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料外表發(fā)生橫向移動，具體又可分為“牽引”、“滑動”、“推動”三種方式通過某些外界作用將吸附分子轉(zhuǎn)移到針尖上，然后移動到新的位置，再將分子沉積在材料外表通過外加一電場，改變分子的形狀，但卻不破壞它的化學(xué)鍵單分子化學(xué)反響已經(jīng)成為現(xiàn)實提起化學(xué)反響，我們最容易聯(lián)想起來的一組畫面就是：化學(xué)家將放在幾個不同瓶子里的藥品倒在一起，然后再通過攪拌或加熱等一系列的步驟以獲得他們想要的最終產(chǎn)物。然而，現(xiàn)在，科學(xué)家們所能做的要比這精細(xì)得多，他們甚至可以一個個地將單個的原子放在一起以構(gòu)成一個新的分子，或是把單個分子拆開成幾個分子或原子。單原子、單分子操縱在化學(xué)上一個極具誘惑力的潛在應(yīng)用是可能實現(xiàn)“選鍵化學(xué)”──對分子內(nèi)的化學(xué)鍵進(jìn)行選擇性的加工。雖然這是一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，但現(xiàn)在已有一些沖動人心的演示性的結(jié)果。在康奈爾大學(xué)Lee和Ho的實驗中，STM被用來控制單個的CO分子與Ag(110)外表的單個Fe原子在13K的溫度下成鍵，形成FeCO和Fe(CO)2分子。同時，他們還通過利用STM研究C-O鍵的伸縮振動特性等方法來確認(rèn)和研究產(chǎn)物分子。他們發(fā)現(xiàn)CO以一定的傾角與Fe-Ag(110)系統(tǒng)成鍵(即CO分子傾斜地立在Fe原子上)，這被看成是Fe原子局域電子性質(zhì)的表達(dá)。一個更為直觀的例子是由Park等人完成的，他們將碘代苯分子吸附在Cu單晶外表的原子臺階處，再利用STM針尖將碘原子從分子中剝離出來，然后用STM針尖將兩個苯活性基團結(jié)合到一起形成一個聯(lián)苯分子，完成了一個完整的化學(xué)反響過程。利用這樣的方法，科學(xué)家就有可能設(shè)計和制造具有各種全新結(jié)構(gòu)的新物質(zhì)?？梢韵胂螅绻覀兡軌螂S心所欲地對單個的原子和分子進(jìn)行操縱和控制，我們就有可能制造出更多的新型藥品、新型催化劑、新型材料和更多的我們暫時還無法想象的新產(chǎn)品，這必將對我們的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在分子水平上構(gòu)造電子學(xué)器件我們知道，一般情況下金屬和半導(dǎo)體材料具有正的電導(dǎo)，即流過材料的電流隨著所施加的電壓的增大而增加。但在單分子尺度下，由于量子能級與量子隧穿的作用會出現(xiàn)新的物理現(xiàn)象──負(fù)微分電導(dǎo)。中國科技大學(xué)的科學(xué)家仔細(xì)研究了基于C60分子的負(fù)微分電導(dǎo)現(xiàn)象。他們利用STM針尖將吸附在有機分子層外表的C60分子“撿起”，然后再把粘有C60分子的針尖移到另一個C60分子上方。這時，在針尖與襯底上的C60分子之間加上電壓并檢測電流，他們獲得了穩(wěn)定的具有負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)的量子隧穿結(jié)構(gòu)。這項工作通過對單分子操縱構(gòu)筑了一種人工分子器件結(jié)構(gòu)。這類分子器件一旦轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，將可廣泛的用于快速開關(guān)、震蕩器和鎖頻電路等方面，這可以極大地提高電子元件的集成度和速度。近年來，科學(xué)家在構(gòu)造和組裝分子尺度的機械設(shè)備方面取得了不少重要成果，已設(shè)計出了類似齒輪、開關(guān)、轉(zhuǎn)柵等簡單裝置的分子器件。例如：已經(jīng)有科學(xué)家報道了用DNA分子制造出一種可以反復(fù)開合的鑷子，而其每條臂的長度只有７個納米。我們相信，通過物理、化學(xué)、分子生物學(xué)、電子學(xué)和材料科學(xué)的合作，一類基于單原子、單分子的納米尺度的電子學(xué)器件將逐步涌現(xiàn)，并最終轉(zhuǎn)化為造福于我們生活的產(chǎn)品。這是科學(xué)家夢想的人體中的血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一起的情景。我們知道人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個局部輸送氧分子，因為如果身體的某些局部缺氧，那局部就會感到疲勞。畫中的藍(lán)色小球稱為呼吸者，它們不僅具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，而且本身裝有納米計算機、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時將無用的二氧化碳帶走?？茖W(xué)家一直在研究微生物的機械本領(lǐng)并試圖把它應(yīng)用到納米機械的設(shè)計中去。例如大腸桿菌等細(xì)菌的移動靠的是一種稱為鞭毛馬達(dá)的驅(qū)動機構(gòu)。微生物的鞭毛馬達(dá)雖然只有30至50納米，但它的效率卻極高。這種效率相當(dāng)于只需百分之一馬力就可以使體重60公斤的人像騎摩托車一樣飛速前進(jìn)。在STM根底上開展起來的各種新型顯微鏡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，有時它對樣品外表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，對于絕緣體那么根本無法直接觀察。如果在樣品外表覆蓋導(dǎo)電層，那么由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實外表的分辨率。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。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外表時，由于探針尖端的原子與樣品外表的原子之間產(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，從而到達(dá)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，雖然大局部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