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掃描隧道顯微鏡的基本原理

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掃描隧道顯微鏡的基本原理

1982年,國際商業機器公司(International Business Machine,IBM)蘇黎世研究所的Gerd Binnigheinrich Rohrer及其同事們成功地研制出世界上第一臺新型的表面分析儀器,即掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope,STM[1]。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態,并能夠研究其相關的物理和化學特性。因此,它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發明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。由于這一杰出成就,BinnigRohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎。

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體和原子結構,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。

2-1STM的基本原理圖[1],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(Control Unit)等。

STM的基本原理是量子的隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描,并根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近(大約為0.5~1.0nm),所以它們之間的電子云互相重疊。當在它們之間施加一偏值電壓VBVB通常為2mV~2V)時,電子就可以因量子隧道效應(Tunneling Effect)由針尖(或樣品)轉移到樣品(或針尖),在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。此隧道電流I可以表示為:

I VB EXP-КФ1/2s

這里,К常數,在真空條件下約等于1;Ф為針尖與樣品的平均功函數;s為針尖和樣品表面之間的距離,一般為0.31.0NM。

由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關系,所以,電流I對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm,隧道電流I就會減少10倍。

STM有兩種工作模式,恒電流模式和恒高度模式,如圖2-2所示[2]。

恒電流模式是在STM圖像掃描時始終保持隧道電流恒定,它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷PXPY控制針尖在樣品表面上掃描時,從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息(該信息反映樣品表面的起伏),就可以得到樣品表面的原子圖像。由于恒電流模式時,STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動,針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面,所以恒電流模式可以用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。恒電流模式是一種最常用的掃描模式。

恒高度模式則是始終控制針尖的高度不變,并取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息(該信息也反映樣品表面的起伏),來繪制樣品表面的原子圖像。由于在恒高度模式的掃描過程中,針尖的高度恒定不變,當表面形貌起伏較大時,針尖就很容易碰撞到樣品。所以恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏不大的樣品。

掃描隧道顯微鏡具有以下顯著的特點:其一是STM可以直接觀測到材料表面的單個原子和原子在表面上的三維結構圖像;它的水平和垂直分辨率可以分別達到0.04nm0.01nm;在STM出現以前,還沒有任何一種顯微技術能夠在水平和垂直方向都達到原子尺度的分辨率。其二是STM可以在觀測材料表面原子結構的同時得到材料表面的掃描隧道譜(Scanning Tunneling Spectroscopy,STS),從而可以研究材料表面的化學結構和電子狀態。

而且,STM實驗還可以在多種環境中進行:如大氣,惰性氣體,超高真空或液體,包括絕緣的和低溫(液氮或液氦)的液體,甚至在電解液中。工作溫度可以從絕對零度(�273.16℃)到上千攝氏度。這也是以往任何一種顯微技術都不能夠同時做到的。

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