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1、,扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope (STM),STM的原理和应用,发 明 原 理 应 用 发 展,扫描隧道显微镜的发明,人眼的分辨率为10-4米 (0.1 mm) 光学显微镜分辨率为10-7米 (100 nm) 扫描透射电子显微镜分辨率为10-10米 (0.1 nm）(仅限于体相和界面结构的观测） 场离子显微镜分辨率为10-10米 (0.1 nm) （但只能探测半径小于 100 nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限. ） 不能对原子直接观察和操纵！ X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品
2、实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究,1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛宾尼和海罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖 (鲁斯卡 TEM),G.Binning,H.Rohrer,STM的工作原理,扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道
3、效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。,扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。,隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。计算可得透射系数T为： T与势垒宽度a，能量差(V0-E)以及粒子的质量m有着很敏感的依赖关系。随着势垒厚(宽)度a的增加，T将指数衰减，因此在一般的宏观实验中
4、，很难观察到粒子隧穿势垒的现象。,扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。,（隧道探针一般采用直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，探针针尖近乎单个原子；被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）,隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S以及平均功函数有关： （Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压; 平均功函数 ，1和2分别为针尖和样品的功函数; A为常数，在真空条件下约等于1; S为针尖和样品之间距离）,隧道电流强
5、度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。,STM的基本结构,常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。,STM的工作模式,恒电
6、流模式 恒高度模式,恒电流模式,x-y方向进行扫描，在z方向加上电子反馈系统，初始隧道电流为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就向后退；反之，样品表面凹进时，反馈系统就使针尖向前移动，以控制隧道电流的恒定。将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在记录纸或荧光屏上显示出来，就得到了样品表面的态密度的分布或原子排列的图象。此模式可用来观察表面形貌起伏较大的样品，也是STM常用的工作模式。,恒高度模式,在扫描过程中保持针尖的高度不变，通过记录隧道电流的变化来得到样品的表面形貌信息。这种模式通常用来测量表面形貌起伏不大的样品。,隧道针尖,隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和
7、化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。 针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如，针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致针尖和样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。,目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法、机械成型法等。制备针尖的材料主要有金属钨丝、铂-铱合金丝等。钨针尖的制备常用电化学腐蚀法。而铂-铱合金针尖则多用机械成型法，一般直接用
8、剪刀剪切而成。,钨丝 针尖,铂-铱 合金 针尖,压电陶瓷扫描头,由于仪器中要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。 所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。目前广泛采用的是多晶压电陶瓷材料，如Pb(Ti,Zr)O3(简称PZT)和钛酸钡等。压电陶瓷材料能以简单的方式将1mV-100V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。,STM的独特优点,具有原子级高分辨率，分辨率横向0.1nm、纵向0.01nm。 可实时地得到在实空间中表面的三维
9、图象。 可在真空、大气、常温、变温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，且探测过程对样品无损伤。 可用来移动和操纵单个原子和分子。,STM的应用,金属及半导体单晶表面结构研究,STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.01纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。“看见”了以前所看不到的东西。,Lucia Vitali, PhD thesis, Universitt Graz,empty states (Bias +1.8V),filled s
10、tates (Bias -1.8V),Si (111) 7x7,+ -,电子,实现了单原子和单分子操纵,利用STM针尖与吸附在材料表面的分子之间的吸引或排斥作用，使吸附分子在材料表面发生横向移动，具体又可分为“牵引”、“滑动”、“推动”三种方式 通过某些外界作用将吸附分子转移到针尖上，然后移动到新的位置，再将分子沉积在材料表面 通过外加一电场，改变分子的形状，但却不破坏它的化学键,Xe / Ni(110),单原子操纵,Iron on Copper (111),D. Eigler & E. Schweizer, Nature 344, 524 (1990),Lutz & Eigler,Build
11、ing of a quantum corral,M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler. Science 262, 218-220 (1993).,Iron on Copper (111),STM的其他应用,利用STM可望实现单分子化学反应：单原子、单分子操纵在化学上一个极具诱惑力的潜在应用是可能实现“选键化学”对分子内的化学键进行选择性的加工。 利用STM在分子水平上构造电子学器件。,扫描隧道显微镜的局限性: 扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差. 扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。 扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。,
