扫描隧道显微镜的原理

http://www.microimage.com.cn(2009-08-10 14:42:10)

 

       扫描隧道显微镜(STM)的基本原理是利用量子理论中的隧道效应 。将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样品与针尖的距离非常接近时(通常小于1nm),在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极 。这种现象即是隧道效应。隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度,与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 Φ 有关:

                                          

 

Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压,平均功函数

分别为针尖和样品的功函数,A 为常数,在真空条件下约等于1。扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝,如钨丝、铂铱丝等;被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。

       由上式可知,隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感,如果距离 S 减小0.1nm,隧道电流 I 将增加一个数量级,因此,利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定,并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描,则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏 ,见图1(a)。将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏或记录纸上显示出来,就得到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品,且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值,这是一种常用的扫描模式。对于起伏不大的样品表面,可以控制针尖高度守恒扫描,通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快,能够减少噪音和热漂移对信号的影响,但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。

   

                                                           

                             

扫描模式示意图

)恒电流模式;()恒高度模式

S 为针尖与样品间距,IVb 为隧道电流和偏置电压,Vz为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。

从式可知,在Vb I 保持不变的扫描过程中,如果功函数随样品表面的位置而异,也同样会引起探针与样品表面间距 S 的变化,因而也引起控制针尖高度的电压Vz的变化。如样品表面原子种类不同,或样品表面吸附有原子、分子时,由于不同种类的原子或分子团等具有不同的电子态密度和功函数,此时扫描隧道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再对应于样品表面原子的起伏,而是表面原子起伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果。扫描隧道显微镜(STM)不能区分这两个因素,但用扫描隧道谱(STS)方法却能区分。利用表面功函数、偏置电压与隧道电流之间的关系,可以得到表面电子态和化学特性的有关信息。

       如前所述,扫描隧道显微镜(STM)仪器本身具有的诸多优点,使它在研究物质表面结构、生物样品及微电子技术等领域中成为很有效的实验工具。例如生物学家们研究单个的蛋白质分子或DNA分子;材料学家们考察晶体中原子尺度上的缺陷;微电子器件工程师们设计厚度仅为几十个原子的电路图等,都可利用扫描隧道显微镜(STM)仪器。在扫描隧道显微镜(STM)问世之前,这些微观世界还只能用一些烦琐的、往往是破坏性的方法来进行观测。而扫描隧道显微镜(STM)则是对样品表面进行无损探测,避免了使样品发生变化,也无需使样品受破坏性的高能辐射作用。另外,任何借助透镜来对光或其它辐射进行聚焦的显微镜都不可避免的受到一条根本限制:光的衍射现象。由于光的衍射,尺寸小于光波长一半的细节在显微镜下将变得模糊。而扫描隧道显微镜(STM)则能够轻而易举地克服这种限制,因而可获得原子级的高分辨率。表1列出了扫描隧道显微镜(STM)EMFIM的几项综合性能指标,读者从这些性能指标对比中可体会到扫描隧道显微镜(STM)仪器的优点和特点。

1  STMEMFIM的各项性能指标比较

 

分辨率

工作环境

样品环境温度

对样品破坏程度

检测深度

STM

原子级

(垂直0.01nm

(横向0.1nm

实环境、

大气、溶液、真空

室温

或低温

1~2原子层

TEM

点分辨

0.3~0.5nm

晶格分辨

0.1~0.2nm

高真空

室温

接近扫描电镜,但实际上为样品厚度所限,一般小于100nm

SEM

6~10nm

高真空

室温

10mm10倍时)

1µm10000倍时)

FIM

原子级

超高真空

30-80K

原子厚度

 

       从扫描隧道显微镜(STM)的工作原理可知,在扫描隧道显微镜(STM)观测样品表面的过程中,扫描探针的结构所起的作用是很重要的。如针尖的曲率半径是影响横向分辨率的关键因素;针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响到STM图象的分辨率,而且还关系到电子结构的测量。因此,精确地观测描述针尖的几何形状与电子特性对于实验质量的评估有重要的参考价值。 扫描隧道显微镜(STM)的研究者们曾采用了一些其它技术手段来观察扫描隧道显微镜(STM)针尖的微观形貌,如SEMTEMFIM等。SEM一般只能提供微米或亚微米级的形貌信息,显然对于原子级的微观结构观察是远远不够的。虽然用高分辨TEM可以得到原子级的样品图象,但用于观察扫描隧道显微镜(STM)针尖则较为困难,而且它的原子级分辨率也只是勉强可以达到。只有FIM能在原子级分辨率下观察扫描隧道显微镜(STM)金属针尖的顶端形貌,因而成为扫描隧道显微镜(STM)针尖的有效观测工具。日本Tohoku大学的樱井利夫等人利用了FIM的这一优势制成了FIM-STM联用装置(研究者称之为FI-STM)[3],可以通过FIM在原子级水平上观测扫描隧道显微镜(STM)扫描针尖的几何形状,这使得人们能够在确知扫描隧道显微镜(STM)针尖状态的情况下进行实验,从而提高了使用扫描隧道显微镜(STM)仪器的有效率。

       扫描隧道显微镜(STM)在化学中的应用研究虽然只进行了几年,但涉及的范围已极为广泛。因为扫描隧道显微镜(STM)的最早期研究工作是在超高真空中进行的,因此最直接的化学应用是观察和记录超高真空条件下金属原子在固体表面的吸附结构。在化学各学科的研究方向中,电化学可算是很活跃的领域,可能是因为电解池与扫描隧道显微镜(STM)装置的相似性所致。同时对相界面结构的再认识也是电化学家们长期关注的课题。专用于电化学研究的扫描隧道显微镜(STM)装置已研制成功。

       在有机分子结构的研究中,高分辨率的扫描隧道显微镜(STM)三维直观图象是一种极为有用的工具。此法已成功地观察到苯在Rh(111)表面的单层吸附,并显示清晰的Kekule环状结构。在生物学领域,扫描隧道显微镜(STM)已用来直接观察DNA、重组DNAHPI-蛋白质等在载体表面吸附后的外形结构。

       可以预测,对于许多溶液相的化学反应机理研究,如能移置到载体表面进行,扫描隧道显微镜(STM)也不失为一个可以尝试的测试手段,通过它可观察到原子间转移的直接过程。对于膜表面的吸附和渗透过程,扫描隧道显微镜(STM)方法可能描绘出较为详细的机理。这一方法在操作上和理解上简单直观,获得数据后无需作任何繁琐的后续数据处理就可直接显示或绘图,而且适用于很多介质,因此将会在其应用研究领域展现出广阔的前景。

       继扫描隧道显微镜(STM)之后,各国科技工作者在扫描隧道显微镜(STM)原理基础上又发明了一系列新型显微镜[4]。它们包括:原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描隧道电位仪(STP)、扫描离子电导显微镜(SICM)、扫描近场光学显微镜(SNOM,在1956年设想基础上的改进)和光子扫描隧道显微镜(PSTM)等。这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性,如表面不同部位的磁场、静电场、热量散失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测样品范围方面提供了有力的工具。近几年来,在把STMEMFIM以及AFMLEED等其它表面分析手段联用方面,也取得了可喜的进展。目前最小的扫描隧道显微镜(STM)尺寸仅为125µm,而最大的扫描范围可达100µm

 

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