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1、 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope (STM)Introduction在科学发展史上直观地观察原子、分在科学发展史上直观地观察原子、分子一直是人们长期以来梦寐以求的愿子一直是人们长期以来梦寐以求的愿望。望。1982年年IBM公司苏黎士研究实验公司苏黎士研究实验室的室的Gerd Bining与与Heinrich Rohrer博博士研制出一种新型显微镜士研制出一种新型显微镜-扫描隧道扫描隧道显微镜，终于使这一愿望成为现实。显微镜，终于使这一愿望成为现实。诺贝尔奖诺贝尔奖：Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich Roh
2、rer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖 原理原理经典电子理论：经典电子理论： 金属体内存在大量金属体内存在大量“自由自由”电子，从经典电子，从经典物理学来说，这些物理学来说，这些“自由自由”电子在金属体内能电子在金属体内能量分布如图所示。在绝对零度时，所有自由电量分布如图所示。在绝对零度时，所有自由电子的能量都小于费米能级子的能量都小于费米能级EF,随着温度的升高，随着温度的升高，一部分电了的能量可以大于费米能级，大于费一部分电了的能量可以大于费米能级，大于费米能级的电子的数量随着温度的升高而增加，米能级的电子的数量随着温度的升高而增加，另一方
3、面经典物理学还认为在金属边界上存在另一方面经典物理学还认为在金属边界上存在着一个能量比费米能级着一个能量比费米能级EF高的位垒高的位垒，在金属在金属内内“自由自由”电子，只有能量高于位垒的那些电电子，只有能量高于位垒的那些电子才可能从金属内部逸出到外部子才可能从金属内部逸出到外部。 原理原理量子力学：量子力学： 认认为为金金属属中中的的自自由由电电子子还还具具有有波波动动性性，这这种种电电子子波波1 1向向金金属属边边界界传传播播，在在遇遇到到表表面面位位垒垒时时，部部分分反反射射为为R R，部部分分透透过过为为T T。这这样样，即即使使金金属属温温度度不不是是很很高高，仍仍有有部部分分电电子
4、子穿穿透透金金属属表表面面位位垒垒，形形成成金金属属表表面面上上的的电电子子云云。这这种种效效应应称为隧道效应。称为隧道效应。Theory I: Quantum BarrierPotential barrierElectron (mass m, energy E) has finite probability of tunneling throughSchroedingers equation of motion Applied voltage bias, V Tunneling electron gains energy eV Number of electrons that can tun
5、nel depends on occupation on each sideTheory II: Tunneling Currentmetal 1metal 2insulatorz隧隧道道扫扫描描显显微微镜镜的的基基本本原原理理是是基基于于量量子子的的隧隧道道效效应应。将将原原子子线线度度的的极极细细针针尖尖和和被被研研究究物物质质的的表表面面作作为为 两两个个电电极极，当当样样品品与与针针尖尖的的距距离离非非常常接接近近时时（通通常常小小于于1nm），在在外外加加电电场场的的作作用用下下，电电子子会会穿穿过过两两个电极之间的绝缘层流向另一个电极。个电极之间的绝缘层流向另一个电极。 电电流流I
6、、针针尖尖与与样样品品之之间间的的距距离离S、平平均均功功函函数数、针针尖和样品之间的偏置电压尖和样品之间的偏置电压Vb：原理原理隧道电流强度与针尖与样品表面之的距离非常敏感，隧道电流强度与针尖与样品表面之的距离非常敏感，如果距离减小如果距离减小0.1nm，电流将增加一个数量级。电流将增加一个数量级。Si(7 X 7)表面单胞二聚体-吸附原子-堆积错位模型 计算机模拟结果 特点 扫描隧道显微镜是继透射电镜和场离子显微镜之后具有原子级分辨率的新一代显微镜。与已有的其它各种显微镜相比，它具有如下特性： （一）STM具有空前的空间分辨率，其横向与纵向分辨率已分别达到0.1nm和0.01nm,完全可分
7、辨单个原子。（原子的典型尺寸为0.20.3纳米） 特点（二）STM得到的是实空间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构观察，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的观察；（三）STM可得到表面单原子层的局域结构图象，这对于研究局部的表面缺陷、表面重构、表面吸附物质的位置及形貌极其有效。（四）STM在真空、大气、溶液等环境中都能保持很高的分辨率，从而可以实现近自然条件下对样品表面的观测。这为生物样品的研究提供了新途径。 特点（五）STM对样品几乎无损伤，不要求特别的样品制备技术。而且样品需求量很小（毫微克），这为观测珍稀提供了便利。（六）在超高真空条件下，STM不仅可获
8、得表面形貌的图象，还可通过扫描隧道谱（STS）研究表面的电子结构。这对表面物理研究很有用途。Modes of OperationConstant-Current ModeConstant-Height ModeTip height is constant: an x-y scan reveals a topographic image of the surface. better vertical resolution slower scanning may yield overall drift in x-y scan can be used for surfaces that arent
9、atomically flatTip height is kept constant and tunneling current is monitored. very fast scans, reduces image distortion lower vertical resolution allows study of dynamic processes工作原理示意图工作模式在在STMSTM中中把把针针尖尖装装在在压压电电陶陶瓷瓷构构成成的的三三维维扫扫描描架架上上，通通过过改改变变加加在在陶陶瓷瓷上上的的电电压压来来控控制制针针尖尖位位置置，在在针针尖尖和和样样品品之之间间加加上上偏偏压
10、压V V以以产产生生隧隧道道电电流流，再再把把隧隧道道电电流流送送回回电电子子学学控控制制单单元元来来控控制制加加在在Z Z陶陶瓷瓷上上的的电电压压，以以保保证证在在针针尖尖扫扫描描时时样样品品针针尖尖间间距距恒恒定定不不变变。工工作作时时在在X X、Y Y陶陶瓷瓷上上施施加加扫扫描描电电压压，针针尖尖便便在在表表面面上上扫扫描描。扫扫描描过过程程中中表表面面形形貌貌起起伏伏引引起起的的电电流流的的任任何何变变化化都都会会被被反反馈馈到到控控制制Z Z方方向向运运动动的的压压电电陶陶瓷瓷元元，使使针针尖尖能能跟跟踪踪表表面面的的起起伏伏，以以保保持持电电流流恒恒定定。记记录录针针尖尖高高度度作
11、作为为横横向向位位置置的的函函数数Z Z（X X、Y Y）就就得得到到了了样样品品表表面面态态密密度度的的分分布布或或原原子子排排列列的的图图像像，这这是是STMSTM最最常常用的恒定电流的工作模式。用的恒定电流的工作模式。它它可可用用于于观观察察表表面面形形貌貌起起伏伏较较大大的的样样品品，而而且且通通过过加在加在Z Z方向陶瓷上的电压值推算表面起伏高度数值。方向陶瓷上的电压值推算表面起伏高度数值。 工作模式STMSTM的的另另一一种种工工作作模模式式为为恒恒定定高高度度模模式式，如如图图。此此时时控控制制Z Z陶陶瓷瓷的的反反馈馈回回路路虽虽然然仍仍在在工工作作，但但反反应应速速度度很很慢
12、慢，以以致致不不能能反反映映表表面面的的细细节节，只只跟跟踪踪表表面面大大的的起起伏伏。这这样样，在在扫扫描描中中针针尖尖基基本本上上停停留留在在同同样样的的高高度度，而而通通过过记记录录隧隧道道电电流流的的变变化化得得到到表表面面态态度度密密度度的的分分布布。一一般般的的高高速速STMSTM便便是是在在此此模模式式下下工工作作的的。但但由由于于在在扫扫描描中中针针尖尖高高度度几几乎乎不不变变，在在遇遇到到起起伏伏较较大大的的样样品品表表面面（如如起起伏伏超超过过针针尖尖样样品品间间距距0.50.51nm1nm），针针尖尖往往往往会会被被撞撞坏坏，因因此此这这种种模模式式只只适适宜宜测测量量小
13、小范范围围、小小起起伏伏的的表面。表面。STM ImagesIron on copper: patterned assembled using STM tipStanding waves caused by defects in copperImage from an STMIron atoms on the surface of Cu(111)STM存在的问题 在在V Vb b和和I I保保持持不不变变的的扫扫描描过过程程中中，如如果果功功函函数数随随样样品品表表面面位位置置而而异异，也也同同样样会会引引起起探探针针与与样样品品表表面面间间距距S S的的变变化化，因因而而也也引引起起控控制制
14、针针尖尖高高度度的的电电压压V Vz z的的变变化化。如如样样品品表表面面原原子子种种类类不不同同，或或样样品品表表面面吸吸附附有有原原子子、分分子子时时，由由于于不不同同种种类类的的原原子子或或分分子子团团等等具具有有不不同同的的电电子子态态密密度度和和功功函函数数，此此时时STMSTM给给出出的的等等电电子子态态密密度度轮轮廓廓不不再再对对应应于于样样品品表表面面原原子子的的起起伏伏，而而是是表表面面原原子子起起伏伏与与不不同同原原子子和和各各自自态态密密度度组组合合后后的的综综合合效效果果。STMSTM不能区分这两个因素。不能区分这两个因素。 利利用用表表面面功功函函数数，偏偏置置电电压
15、压与与隧隧道道电电流流之之间间的的关关系系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。 继继STM之之后后，各各国国科科技技工工作作者者在在STM原原理理基基础础上上又又发发明明了了一一系系列列新新型型显显微微镜镜。如如原原子子力力显显微微镜镜（AFM）、摩摩擦擦力力显显微微镜镜、静静电电力力显显微微镜镜、扫扫描描热热显显微微镜镜、弹弹道道电电子子发发射射显显微微镜镜（BEEM）、扫扫描描隧隧道道电电位位仪仪（STP）、扫扫描描离离子子电电导导显显微微镜镜（SICM）、扫扫描描近近场场光光学学显显微微镜镜（SNOM）和和光光子子扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜
16、（PSTM）等等。这这些些新新型型的的显显微微镜镜可可获获得得STM不不能能得得到到的的有有关关表表面面的的各各种种信信息，对息，对STM的功能有所补充和扩展。的功能有所补充和扩展。AFM 基本原理基本原理LaserSampleXYZ Piezoelectric ScannerPosition Sensitive PhotodiodeMirrorTipCantileverAFM 基本原理基本原理v测量原子间相互作用力测量原子间相互作用力AFM 基本原理基本原理再生紙表面形貌像（左）不清晰，位相像（右）中高分辩率地观察到纤维的微观结构。（使用位相检测系统）苯乙烯/丁二烯嵌块共聚物表面形貌像（左）
17、不清晰，位相像（右）中苯乙烯与丁二烯清晰地物相分離。（使用位相检测系统） 形貌以外的信息nLFM：横向力显微镜nCurrent Imaging：电流測定nPhase Imaging：位相检测nForce Modulation：粘弹性測定nMFM：磁力显微镜nEFM：电位显微镜nNano Indentation：超微硬度測定nForce Curve：力曲线n硬盘硬盘表面形貌像（左），基片上的纹理，同一視野的MFM像（右）观察到磁性信息。（使用MFM系统）超微硬度測定（纳米压痕硬度计）n超微硬度計（纳米压痕硬度计）n微观刻痕实验Triboscope的观察顺序硬度測定前扫描后扫描选择打圧痕的位置确认圧痕的状态Load-DisplacementLoad-DisplacementCurveCurve应用（2）微观刻痕实验磨耗实验
