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扫描隧道显微镜的原理及应用综述刘丹2006641471华中师范大学生物化学基地班摘要扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。本文简要介绍了扫描隧道显微镜的工作原理以及扫描探针显微技术在化学、生物及物理学等领域的作用和应用前景。最后还揭示了其一定的局限性。关键字扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）隧道效应扫描隧道显微术应用一、引言在光学显微镜和电子显微镜的结构和性能得到不断完善的同时，基于其它各种原理的显微镜也不断问世。其中，1982年宾尼（G.Binnig）和罗雷尔（H.Rohrer）等人研制成功的扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）是显微镜领域的新成员。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。两位科学家因此与电子显微镜的发明者图１G.BinnigH.RohrerERuska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。近年来，在ＳＴＭ的基础上又发展出了另一种扫描探针显微镜---原子力显微镜（ＡＦＭ）。现在一般将ＳＴＭ和ＡＦＭ合称ＳＰＭ（扫描探针显微镜）。二、隧道效应和扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜的主要原理是利用量子力学中的隧道效应。ＳＴＭ是一种通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。若一质量为m的粒子沿Ｘ轴运动时，其势能函数可表示为V(0≤X≤L)V(x)=0(X＜０,x＞L)势能曲线如图（书本Ｐ334figure12.9）这种形式的势场称为一维方势垒，V为势垒高度，L为势垒宽度，二者均为有限量值。设一个能量为E（小于V）的粒子自左侧入射到势垒上。按经典力学理论，粒子只能从壁垒被反射回来，绝不可能进入势垒，更不可能穿过势垒而到达势垒右侧区域。因为粒子的能量是动能和势能之和，而V＞E，若粒子进入势垒，就必然出现“负动能”，显然这是不可能的。但根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质即样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I。隧道电流I的大小与针尖和样品间的距离S以及样品表面平均势垒的高度φ有关。若两极间的波函数如书中所给（P337Box12.1Discussionquestions1）,其中（V-E）即势垒高度。则当两极之间加很小的直流电压时,隧道电流密度为图2金属表面与针尖的电子云其中A=4π(2m)1/2/h由此可见，隧道电流I对针尖与样品表面之间的距离s极为敏感，当距离改变一个原子台阶的大小（0.2nm~0.3nm）时,电流将改变1000倍。如Discussionquestions1中提供的情景，S从0.5nm增大到0.6nm，V-E=2.0ev时，带入数值计算，电流将减少一个数量级。因此，利用电子反馈线路来控制隧道电流I的恒定（恒流模式），利用压电陶瓷材料来控制针尖在样品表面上的扫描，则探针在垂直于样品方向上的高低变化，就反映出了样品表面的起伏，然后通过微机进行数据处理。对于表面起伏不大的样品，可以控制针尖高度恒定扫描（恒高模式），通过记录隧道电流的表化来得到表面态密度的分布。图3STM的结构总之，通俗的讲，STM就是在给定的偏压下（针尖和样品之间）通过测量表面隧道电流和针尖与表面的距离对应关系。可近似认为，其测量的是表面的局域态密度的变化。而这种局域态密度与表面波函数密切相关，因此可近似认为，STM能够测量表面波函数。进而，通过测量体系的I-V（隧道电流-偏压）曲线（即隧道扫描谱，STS）就可以测量表面的局域能级和精细结构，获得研究对象的诸多信息。图４二氧化钛扫描隧道谱图形此外，ＡＦＭ也是利用细小的探针读样品表面进行恒定高度的扫描，来对样品进行“观察”，但它不是通过隧道电流，而是一个激光装置来监测探针岁样品表面的升降变化来获取样品表面形貌的信息，因此与ＳＴＭ不同，ＡＦＭ可以用于对不具导电性，或者导电能力较差的样品进行观察。利用光学中受抑全反射理论，人们还研制成功了光子扫描隧道显微镜（PSTＭ），它可以用于不导电样品的观测。三、扫描探针显微技术的应用SPＭ作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有明显的优势：首先，SPM得到的是真实的样品表面、原子级别的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。其次，由于STM在扫描时不接触样品，又没有高能电子束轰击，可以避免样品的变形。而且，它的使用环境宽松，不仅可以在真空中工作，还可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。SPM应用领域十分宽广。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。比如，目前人们已利用STM直接观察到DNA、RNA和蛋白质等生物大分子及生物膜等结构。具体而言，基于扫描探针显微技术和光学技术的单分子科学方法，使人们初步实现了直接研究和操纵单个原子和分子。如利用SPM确定单分子在衬底表面的吸附取向；直接观测单个小分子的离解反应；对单个分子内的化学键进行选择性加工，并利用分子自身的特性，制备具有特殊性质的电子学器件；直接测量单个共价键强度，研究分子与表面成键特征、电荷转移效应和衬底对分子电子结构的影响；研究生物大分子在溶液中切割，单链折叠和组装过程。同样的，也可以利用AFM技术通过拆分DNA双链来测量DNA的两条链间碱基配对的作用力等等。此外，SPM技术，尤其是STM和AFM技术已成为分析纳米结构的有力的常用技术手段。利用这些先进技术，进行纳米结构的单分子识别与控制，构筑纳米结构基元，还可以准确快捷测定各种纳米结构与性能。四、扫描隧道显微镜的局限性和改进扫描隧道显微镜至问世以来，已迅速成为许多实验室的常规仪器，随着其应用研究的深化和扩展，其弊端和不足也日益显现。主要表现在以下三个方面：（1）扫描探针对观测具有高取向结构的表面，可获得比较明确的解析，而对绝大部分多晶或非晶材料的STS图象解释难度很大；（2）SPM技术只能获得表面结构形貌图象，缺乏化学敏感性，难以与表面微区化学组分、微区电化学相互关联。鉴于此，发展复合型扫描探针技术已成为国际研究热点，如近年来发展的近场扫描光学显微镜（NSOM），可同时直接测量表面微区化学组分和表面微观形貌。同时，国际上还开始探索研制各种联用技术，已获得更新、更深层次的研究信息，使人们对客观世界的认识得一不断的深化五、结束语“一粒沙里一世界，一朵花里一天堂。”由于生理上的限制，人类仅凭肉眼是不可能分辨这微观的“世界”的。然而，从古至今，人类对自然的探索和对未知微观世界的研究从未停止过。显微镜的发明为人类进军微观世界创造了可能性，而扫描探针显微镜的发明则吹响了人类进军原子尺度的号角。相信在不久的将来，还会出现更加先进、极具创新性的复合型显微镜，促使人类在微观领域取得新的突破！参考文献[1]白春礼.扫描隧道显微术及其应用.上海:科学技术出版社,1992[2]国家自然科学基金委员会化学科学部.新世纪的物理化学--学科前沿与展望.科学出版社,2004[3]韩可芳.基础物理学.湖北教育出版社,1999[4]peterAthins,JuliodePaula.Atkins’PhysicalChemistrysevenedition.HigherEducationPress.