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扫描地道显微镜的基本原理

1982年,国际贸易机械公司(International Business MachineIBM)苏黎世研究所的Gerd Binnigheinrich Rohrer及其同事们胜利天研制出世界上第一台新型的外面分析仪器,即扫描地道显微镜(Scanning Tunneling MicroscopeSTM[1]。它使人类第一次可以或许间接观察到物资表面上的单个原子及其分列状况,并可以或许研讨其相干的物理和化学特性。因而,它对外面物理和化学、材料科学、生命科学和微电子技术等研讨范畴有着非常严重的意义和辽阔的运用远景。STM的发现被国际科学界公认为20世纪80年月天下十大科技成就之一。因为那一卓异成绩,BinnigRohrer得到了1986年诺贝尔物理奖。

因为STM具有极高的空间区分才能(平行偏向的分辨率为0.04nm,垂直偏向的分辨率到达0.01nm),它的泛起标记着纳米技术研讨的一个最严重的迁移转变,以至可以说标记着纳米技术研讨的正式起步,由于在此之前人类间接视察表面上的原子和分子结构,使纳米技术的研讨没法深切天停止。应用STM,物理学家和化学家能够研讨原子之间的细小结合能,制造人造份子;生物学家能够研讨生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA份子的构造,停止份子切割和组装手术;质料学家能够剖析质料的晶体和原子结构,考查晶体中原子标准上的缺点;微电子学家则能够加工小至原子标准的新型量子器件。

2-1STM的根基原理图[1],其重要组成有:顶部直径约为50~100nm的极细金属针尖(一般是金属钨造的针尖),用于三维扫描的三个互相垂直的压电陶瓷(PxPyPz),和用于扫描和电流反应的控制器(Control Unit)等。

STM的基本原理是量子的地道效应。它应用金属针尖正在样品的表面上停止扫描,并凭据量子地道效应去得到样品外面的图象。一般扫描地道显微镜的针尖取样品外面的间隔异常靠近(约莫为0.5~1.0nm),以是它们之间的电子云相互堆叠。当正在它们之间施加一偏值电压VBVB一般为2mV~2V)时,电子便能够果量子地道效应(Tunneling Effect)由针尖(或样品)转移到样品(或针尖),正在针尖取样品外面之间构成地道电流。此地道电流I能够示意为:

I VB EXP-КФ1/2s

这里,К常数,正在真空条件下约即是1;Ф为针尖取样品的均匀功函数;s为针尖和样品外面之间的间隔,一样平常为0.31.0NM

因为地道电流I取针尖和样品外面之间的间隔s成指数干系,以是,电流I对针尖和样品外面之间的间隔s转变异常敏感。若是此间隔减小仅仅0.1nm,地道电流I便会削减10倍。

STM有两种事情形式,恒电流形式和恒高度形式,如图2-2所示[2]

恒电流形式是正在STM图象扫描时始终保持地道电流恒定,它能够应用反应回路掌握针尖和样品之间间隔的络续转变去实现。当压电陶瓷PXPY掌握针尖正在样品表面上扫描时,从反应回路中掏出针尖正在样品外面扫描的历程中它们之间间隔转变的信息(该信息反应样品外面的升沉),便能够获得样品外面的原子图象。由于恒电流形式时,STM的针尖是跟着样品外面描写的升沉而高低挪动,针尖不会由于外面描写升沉太大而碰撞到样品的外面,以是恒电流形式能够用于视察外面描写升沉较大的样品。恒电流形式是一种最常用的扫描形式。

恒高度形式则是始终掌握针尖的高度稳定,并掏出扫描历程中针尖和样品之间电流转变的信息(该信息也反应样品外面的升沉),去绘制样品外面的原子图象。因为正在恒高度形式的扫描历程中,针尖的高度恒定稳定,当外面描写升沉较大时,针尖便很容易碰撞到样品。以是恒高度形式只能用于视察外面描写升沉不大的样品。

扫描地道显微镜具有以下明显的特性:其一是STM能够间接观察到质料外面的单个原子和原子正在表面上的三维构造图象;它的程度和垂直分辨率能够离别到达0.04nm0.01nm;正在STM泛起之前,还没有任何一种显微手艺可以或许正在程度和垂直偏向皆到达原子标准的分辨率。其二是STM能够正在观察质料外面原子结构的同时获得质料外面的扫描地道谱(Scanning Tunneling SpectroscopySTS),从而能够研讨质料外面的化学构造和电子状况。

并且,STM实行借能够正在多种情况中停止:如大气,惰性气体,超高真空或液体,包孕绝缘的和高温(液氮或液氦)的液体,以至正在电解液中。工作温度能够从绝对零度(�273.16℃)到上千摄氏度。那也是以往任何一种显微手艺皆不克不及够同时做到的。