扫描隧道电子显微镜

扫描隧道电子显微镜SCANNINGTUNNELINGMICROSCOP简称STM发明者格尔德·宾宁什么是扫描隧道电子显微镜扫描隧道电子显微镜(scanningtunnelingmicroscope，STM)是20世纪80年代初发展起来的第三种能够直接观察到单个原子像的根据量子隧道效应来获取反映样品表面形貌及电子态图像的一种新型显微镜。STM的工作原理•扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，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。隧道效应是量子力学中的微观粒子所具有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度时，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为1nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠；如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)。同时，物体表面的高低会影响隧道电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。STM的工作模式•尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同,但都包括有下述三个主要部分：驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方式：恒流模式、恒高模式。STM的工作模式恒电流模式•利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，扫描隧道电子显微镜得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图像信息全面，显微图象质量高，应用广泛。恒高度模式•在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。扫描隧道显微镜-基本结构隧道针尖三维扫描控制器减震系统电子学控制系统离线数据分析软件主要特点•扫描隧道显微镜具有以下特点∶•1、高分辨率扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，其横向空间分辨率为lÅ，纵向分辨率达0.1Å.可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以及由吸附体引起的表面重构等。•2、扫描隧道显微镜可直接探测样品的表面结构，绘出立体三维结构图像。并且可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。•3、扫描隧道显微镜可在真空、常压、空气、甚至溶液中探测物质的结构，它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本，由于没有高能电子束，对表面没有破坏作用(如辐射，热损伤等)，所以能对生理状态下生物大分子和活细胞膜表面的结构进行研究，样品不会受到损伤而保持完好。•4、扫描隧道显微镜的扫描速度快，获取数据的时间短，成像也快，有可能开展生命过程的动力学研究。•5、不需任何透镜，体积小，有人称之为“口袋显微镜”(pocketmicroscope)。•6、配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。缺点•1、在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下，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。对铂超细粉末的一个研究实例:铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。在TEM的观测中则不会出现这种问题。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。•2、扫描隧道显微镜(STM)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像对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补扫描隧道显微镜(STM)这方面的不足。应用与展望•扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。STM和SEM的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM和SEM的结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术领域中。