纳米科技的眼睛和手——扫描隧道显微镜，本文主要内容关键词为：显微镜论文,纳米论文,隧道论文,眼睛论文,科技论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在科学前沿的纳米科学与技术研究领域中，扫描隧道显微镜是关键的设备，相当于纳米科学研究中的眼睛和手.扫描隧道显微镜的发明是纳米科技中的一个里程碑式的进步，使得人类实现了对单个原子、分子的观察和操纵.
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Micro-scope，英文缩写为STM.见图1）是在20世纪80年代初发明的一种显微镜，其分辨本领是目前各种显微镜中最高的；横向分辨本领为0.1nm～0.2nm，深度分辨本领为0.01nm.它的高分辨率可以清晰地展示直径大约为10[-10]m尺度的单个原子（或分子），从此人类实现了直接看到微小的原子的理想.
图1 扫描隧道显微镜外貌
扫描隧道显微镜是1982年由美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里的两位科学家葛·宾尼（Gerd Binning）和海·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明的.由于他们对科学的杰出贡献，两位发明人被授予1986年诺贝尔物理奖.
高中物理课本第二册（试验修订本·必修加选修）彩色插图（图2），就是中国科学院化学所的科学家用扫描隧道显微镜拍摄的.这幅图上石墨表面的碳原子是一个个的亮斑，分布很规则，非常清晰.
图2 扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子的照片，每一个亮斑是一个石墨原子
一、扫描隧道显微镜的工作原理
对于直径的数量级是10[-10]m的那么小的粒子，不仅直接用肉眼看不见，用一般的显微镜也看不见，即使用场离子显微镜也只能看到粒子的位置（图3）.而用扫描隧道显微镜拍摄的石墨原子却清晰可见.那么，扫描隧道显微镜是怎样进行观察的呢？
图3 场离子显微镜拍摄的钨针针尖的照片，每个亮点代表一个钨原子
扫描隧道显微镜的工作原理与通常光学显微镜的原理截然不同，它是应用量子力学中的“隧道效应”来观察物质的.
我们知道，当两个导体之间有一个绝缘体时，如果在这两个导体之间加一定的电压，一般是不会形成电流的.这是因为，虽然两个导体间有电压，各具有一定的电势，而它们之间的绝缘体阻碍电子从高电势向低电势的运动，导体中的自由电子因不能穿过绝缘体运动到另一个导体上而不能形成电流，也就是在两个导体之间存在势垒（图4甲）.经典物理学认为，只有电压增大到能把绝缘层击穿，也就是势垒被击穿时，电子才会通过绝缘体.
量子力学认为，微观粒子在空间的运动是按一定的几率密度分布的.根据量子力学的计算知道，如果势垒厚度非常小，小到只有几个10[-10]m时，电子可能穿过势垒，即从势垒的这边到达势垒的另一边，形成电流（图4乙）.也就是说，在势垒相当窄的情况下，电子可能在势垒上打通一条道路，穿过势垒到达势垒的另一侧，形成电流.在势垒相当窄的情况下电子能穿过势垒的现象，在量子力学中叫做隧道效应，这样形成的电流叫做隧道电流.隧道电流I的大小，由粒子穿透厚度为Z的势垒的几率的大小决定.用扫描隧道显微镜进行实测时，隧道电流
就是说，当探测针尖与样品靠得很近时，在探测针尖与被测样品之间的绝缘层中能形成隧道电流.而且绝缘层越薄势垒越小，形成隧道电流的机会越多.由于用扫描隧道显微镜探测时得到的隧道电流的大小，可以直接反映样品表面的凸凹情况，所以记录了隧道电流的大小，也就记录了样品表面的情况.因此，扫描隧道显微镜打开了人类通向微观世界的一个大门，使人类有了观察物质表面分子的眼睛.
二、扫描隧道显微镜的构造及其工作过程
扫描隧道显微镜没有一般光学显微镜的光学器件.扫描隧道显微镜主要由三部分组成：电子反馈系统，计算机控制系统，显示终端（图5）.它的主体的主要部分是极细的探针针尖、电子反馈系统（主要用来产生隧道电流，控制隧道电流和控制针尖在样品表面的扫描）、计算机控制系统（用来控制全部系统的运转和收集存储得到的显微图像资料，并对原始图像资料进行处理）、显示终端（计算机屏幕或记录纸，用来显示处理后资料）.
图5 扫描隧道显微镜工作原理示意图
扫描隧道显微镜工作时，探针针尖和被研究的样品的表面是两个电极，使样品表面与探针针尖非常接近（一般＜10[-9]m），并给两个电极加上一定的电压，形成外加电场，以在样品和探针针尖之间形成隧道电流.在对物体表面进行观测时，它通过电子反馈电路控制隧道电流的大小，探针针尖在计算机控制下对样品表面扫描，同时在计算机屏幕或记录纸上记录下扫描样品表面原子排列的图像.
扫描隧道显微镜的工作过程为：利用探针针尖扫描样品，通过隧道电流获取信息，得到图像.
要看到原子，必须达到原子级的分辨率.各种光学显微镜中都有光学透镜，进行观察时要受到光的衍射等影响而产生像差，根本不能达到原子级的分辨率.而扫描隧道显微镜的中心装置，仅仅是作为电极的针尖，根本没有一般显微镜的光学透镜.不用透镜观察物体，也不用光或其他辐射进行聚焦，从而杜绝了由于光的衍射现象对像的清晰度产生的干扰.
为了达到原子级的分辨率，扫描隧道显微镜的探针针尖必须是单原子的.如果针尖有多个原子，样品表面同时与探针针尖产生多道隧道电流，仪器采集到的总隧道电流为所有隧道电流的平均值，而不是一个原子的隧道电流.另外，如果探针针尖较粗，在对样品扫描时，也就不能随样品表面原子的细微起伏而上下运动，就不能根据探针针尖对样品进行精细的扫描，也就不能测出样品表面的原子排列.因此，探针针尖只有一个原子是扫描隧道显微镜达到了原子级分辨率的一个关键.制备扫描隧道显微镜的探针针尖，一般采用电化学腐蚀的方法.实验时，还要用其他技巧帮助形成单原子针尖.
三、怎样解释扫描隧道显微镜拍摄的石墨照片
课本上使用的石墨表面的扫描隧道显微镜图片的拍摄条件为：探针针尖是用金属钨制作的；观测时的偏压为-30mV，扫描电流为2nA，x方向扫描频率为50Hz，y方向扫描频率为0.2Hz.
从课本图所示的扫描隧道显微镜照片上，我们看到的是分布规则的亮斑和暗斑.亮斑是由记录的隧道电流强一些所致，表明该处的自由电子密集；暗斑表示隧道电流很弱，表示该处的自由电子十分稀疏.亮斑和暗斑表明了电子云密度的不同.由于碳原子的电子一般主要定域于原子核周围，所以图上的亮斑表示该处有原子核存在.也就是说.照片上的亮斑为碳原子，暗斑为原子之间的空隙.扫描隧道显微镜的横向分辨本领为0.1nm-0.2nm，深度分辨本领为0.01nm，因此用它只能看到分布在物质表面的粒子，而看不到分布在样品深处的粒子.
四、对物质表面进行纳米级的加工
对物质表面进行纳米级的加工，也是用扫描隧道显徽镜来帮助实现的.例如在硅晶体表面刻写的字（图6），是通过对这类显微镜的针尖施加力或在导电针尖施加电场对原子或分子的操纵获得的.这种操作可以进行的光刻、微区淀积和刻蚀，可能对大规模集成电路线条的宽度从微米数量级提高到纳米数量级，可能对原子或原子团进行在表面上的生长、迁移、扩散等物理过程及微小粒子与表面间的相互作用等进行基础研究.可见，扫描隧道显微镜还是人类在纳米科学技术研究中的手.
20世纪90年代，中国科学院的科学家们用移动原子的方法在200nm×200nm尺度上排布成功“中国”二字（线条宽度约为10nm）和中国地图.
扫描隧道显微镜对观察条件要求不高，可以在大气、真空的各种温度下进行工作，能对样品进行无损探测.它的这些优点，适用许多材料的研究，正在科学研究的前沿领域发挥着重要作用.科学家在进行与物质表面电子行为有关的物理、化学性质的观察研究时，扫描隧道显微镜是很有效的工具，正在纳米科技、微电子学（例如由几十个原子组成的电路）、生命科学（例如研究单个蛋白分子或DNA分子）等许多领域的研究中，发挥着重要的作用，具有广阔的应用前景.国际科学界公认，扫描隧道显微镜是20世纪80年代世界科技成就之一.
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