扫描隧道电子显微镜

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1、 扫描隧道电子显微镜扫描隧道电子显微镜（scanning tunneling microscope，缩写为 STM），亦称为扫描穿隧式显微镜，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。它于 1981年由格尔德宾宁及海因里希罗雷尔在 IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特鲁斯卡分享了 1986年诺贝尔物理学奖。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。扫描隧道显微镜 sca

2、nning tunneling microscope 缩写为 STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操 扫描隧道显微镜纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。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。2 基本结构 2.1 隧道针尖 隧道针尖的结构是扫

3、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。扫描隧道显微镜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

4、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 直接用剪刀剪切 而成。不论哪一种针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常是造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图象的不可预期性的原因。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。2.2 三维扫描控制器 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。压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受扫描隧道显微镜到机械力发生形变时会产生电场，或给晶

5、体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料，例如钛酸锆酸铅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-1000V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的位移。用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有以下几种三脚架型，由三根独立的长棱柱型压电陶瓷材料以相互正交的方向结合在一起，针尖放在三脚架的顶端，三条腿独立地伸展与收缩，使针尖沿 x-y-z三个方向运动。单管型，陶瓷管的外部电极分成面积相等的四份，内壁为一整体电极，在其中一块电极上施加电压，管子的这一部分就会伸展或收缩(由电压的正负和

6、压电陶瓷的极化方向决定)，导致陶瓷管向垂直于管轴的方向弯曲。通过在相邻的两个电极上按一定顺序施加电压就可以实现在 x-y方向的相互垂直移动。在z方向的运动是通过在管子内壁电极施加电压使管子整体收缩实现的。管子外壁的另外两个电极可同时施加相反符号的电压使管子一侧膨胀，相对的另一侧收缩，增加扫描范围，亦可以加上直流偏置电压，用于调节扫描区域。十字架配合单管型，z 方向的运动由处在“十”字型中心的一个压电陶瓷管完成，x 和 y扫描电压以大小相同、符号相反的方式分别加在一对 x、-x和 y、-y 上。这种结构的 x-y扫描单元是一种互补结构，可以在一定程度上补偿热漂移的影响。除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、簧片、电机等进行机械调控。