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。