掃描隧道顯微鏡的基本原理

1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（International Business Machine，IBM）蘇黎世研究所的Gerd Binnig和heinrich Rohrer及其同事們成功地研制出世界上第一臺(tái)新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope，STM）^[1]。它使人類第一次能夠直接觀察到物質(zhì)表面上的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究其相關(guān)的物理和化學(xué)特性。因此，它對(duì)表面物理和化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)等研究領(lǐng)域有著十分重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。STM的發(fā)明被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。由于這一杰出成就，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

由于STM具有極高的空間分辨能力（平行方向的分辨率為0.04nm，垂直方向的分辨率達(dá)到0.01nm），它的出現(xiàn)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的一個(gè)最重大的轉(zhuǎn)折，甚至可以說(shuō)標(biāo)志著納米技術(shù)研究的正式起步，因?yàn)樵诖酥叭祟愔苯佑^察表面上的原子和分子結(jié)構(gòu)，使納米技術(shù)的研究無(wú)法深入地進(jìn)行。利用STM，物理學(xué)家和化學(xué)家可以研究原子之間的微小結(jié)合能，制造人造分子；生物學(xué)家可以研究生物細(xì)胞和染色體內(nèi)的單個(gè)蛋白質(zhì)和DNA分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分子切割和組裝手術(shù)；材料學(xué)家可以分析材料的晶體和原子結(jié)構(gòu)，考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子學(xué)家則可以加工小至原子尺度的新型量子器件。

圖2-1是STM的基本原理圖^[1]，其主要構(gòu)成有：頂部直徑約為50~100nm的極細(xì)金屬針尖（通常是金屬鎢制的針尖），用于三維掃描的三個(gè)相互垂直的壓電陶瓷（P_x，P_y，P_z），以及用于掃描和電流反饋的控制器（Control Unit）等。

STM的基本原理是量子的隧道效應(yīng)。它利用金屬針尖在樣品的表面上進(jìn)行掃描，并根據(jù)量子隧道效應(yīng)來(lái)獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（大約為0.5~1.0nm），所以它們之間的電子云互相重疊。當(dāng)在它們之間施加一偏值電壓V_B（V_B通常為2mV~2V）時(shí)，電子就可以因量子隧道效應(yīng)（Tunneling Effect）由針尖（或樣品）轉(zhuǎn)移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。此隧道電流I可以表示為：

I_∝ V_{B EXP}（-КФ^1/2s）

這里，К常數(shù)，在真空條件下約等于1；Ф為針尖與樣品的平均功函數(shù)；s為針尖和樣品表面之間的距離，一般為0.3～1.0NM。

由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數(shù)關(guān)系，所以，電流I對(duì)針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流I就會(huì)減少10倍。

STM有兩種工作模式，恒電流模式和恒高度模式，如圖2-2所示^[2]。

恒電流模式是在STM圖像掃描時(shí)始終保持隧道電流恒定，它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓電陶瓷P_X和P_Y控制針尖在樣品表面上掃描時(shí)，從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過(guò)程中它們之間距離變化的信息（該信息反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子圖像。由于恒電流模式時(shí)，STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動(dòng)，針尖不會(huì)因?yàn)楸砻嫘蚊财鸱蠖鲎驳綐悠返谋砻妫院汶娏髂Ｊ娇梢杂糜谟^察表面形貌起伏較大的樣品。恒電流模式是一種最常用的掃描模式。

恒高度模式則是始終控制針尖的高度不變，并取出掃描過(guò)程中針尖和樣品之間電流變化的信息（該信息也反映樣品表面的起伏），來(lái)繪制樣品表面的原子圖像。由于在恒高度模式的掃描過(guò)程中，針尖的高度恒定不變，當(dāng)表面形貌起伏較大時(shí)，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏不大的樣品。

掃描隧道顯微鏡具有以下顯著的特點(diǎn)：其一是STM可以直接觀測(cè)到材料表面的單個(gè)原子和原子在表面上的三維結(jié)構(gòu)圖像；它的水平和垂直分辨率可以分別達(dá)到0.04nm和0.01nm；在STM出現(xiàn)以前，還沒(méi)有任何一種顯微技術(shù)能夠在水平和垂直方向都達(dá)到原子尺度的分辨率。其二是STM可以在觀測(cè)材料表面原子結(jié)構(gòu)的同時(shí)得到材料表面的掃描隧道譜（Scanning Tunneling Spectroscopy，STS），從而可以研究材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)。

而且，STM實(shí)驗(yàn)還可以在多種環(huán)境中進(jìn)行：如大氣，惰性氣體，超高真空或液體，包括絕緣的和低溫（液氮或液氦）的液體，甚至在電解液中。工作溫度可以從絕對(duì)零度（�273.16℃）到上千攝氏度。這也是以往任何一種顯微技術(shù)都不能夠同時(shí)做到的。