扫描隧道显微技术
引言：
很久以来，人们早就知道物质是由分子和原子组成的，这些大多是通过实验间接验证的。

例如X射线衍射、电子衍射等，这种经过计算后间接得出的结果很难使人获得感性认识。

1982年G.Binnig和H.Rohrer做出了第一台扫描隧道显
微镜（Scanning Tunneling Microscope），它可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图象，使人们可以亲眼看见它们的存在，从而对微观世界的认识一下子从幻想和抽象的分析飞跃到对原子的直接观察和操纵。

目前，扫描隧道显微技术正以它前所未有的优势越来越广泛地应用在物理学、微电子、材料科学、化学、生物医学等各领域。

为了开展实验教学改革，使教学内容现代化，特将此新发明新技术推广应用到实验教学中，开出扫描隧道显微成象技术，使学生了解和熟悉最新世界科学前沿知识，丰富和活跃学生的创新思维。

实验目的：
1、掌握隧道效应的的基本原理，了解扫描隧道显微镜的基本结构；
2、掌握基本实验技术，扫描相应的样品图像。

实验仪器：
AJ－I型扫描隧道显微镜，电脑，打印机。

实验原理：
1、隧道效应
扫描隧道显微技术的工作原理是量子力学的隧道效应。

对于经典物理学来说：当一粒子的动能E低于前面的势垒的高度V
时，它不可能越过此势垒，即透射
系数等于零，粒子将完全被弹回。

根据量子力学的计算：在一般情况下，其透射系数不等于零。

也就是说，粒子可以穿过比它的能量更高的势垒，这个现象称为
隧道效应。

它是由于粒子的波动性引起的，如图（1）所示。

在一定的情况下，这种效应才会非常显著。

根据量子力学的计算，其透射系数为
T∽16E（V
0—E）exp｛—2a［2m（V
—E）］1/2/h｝/V
2 (1)
由此公式可知：T与势垒a、能量差（V
—E）以及粒子的质量m有着很敏感的依
赖关系；随着势垒厚（宽）度a的增加，T将呈指数衰减；因此，在一般的宏观实验中，人们很难观察到粒子隧穿势垒的现象。

量子力学认为：电子具有波动性，其位置是弥散的；物质表面上的一些电子会散逸出来，在样品表面四周形成电子云，在导体表面之外的空间的某一位置发现电子的概率会随着与表面距离的增大而呈指数形式的衰减。

STM是利用原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，由量子力学的隧道效应来获取样品表面图象。

当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），两个电极之间的电子云相互重叠，在针尖和样品之间施加一电压，电子在外电场的作用下因隧道效应会穿过两个电极之间的势垒，由针尖到样品形成隧道电流I。

隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间的距离S和平均功函数Φ有关 I
∽V
b
exp（—Aφ1/2S） (2)
式中V
b
是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数φ∽，Φ
1和Φ
2
分别是针尖和样品的功函数，A为常量，在真空条件下约等于1。

由上式
可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有指数的依赖关系，当距离变化0.1nm时，隧道电流则约变化一个数量级。

因此，根据隧道电流的变化，可以得
到样品表面微小的高低起伏变化的信息。

如果同时对x、y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。

2、STM装置结构
STM装置由防震减振系统、STM探头、数字化电子学控制系统和计算机等组成，如图（2）所示。

控制器
1）STM防震减振系统
有效的振动隔离是STM达到原子分辨率所严格要求的一个必要条件。

由于STM工作时针尖与样品间距一般小于1nm，同时由式（2）可知，隧道电流与隧道间距成指数关系，因此任何微小的振动，例如由说话的声音和人走动所引起的振动都会对仪器的稳定性和成象的清晰度产生影响。

在STM原子图象中，样品的表面起伏通常为0.01nm，所以外来振动的干扰必须小于0.005nm，通常由振动所引起的隧道间距变化必须小于0.001nm。

因此，系统应具备非常好的防震减振效果。

对于STM有两种类型的扰动必须隔绝：振动和冲击。

振动一般是重复性的和连续性的，而冲击则是瞬态变化的。

二者当中，振动隔离是最主要的。

隔绝振动的方法主要是提高装置的固有振动频率和使用振动阻尼系统，系统通常采用气垫
防震台（或平板堆垛）加弹簧悬挂以及磁性涡流阻尼等三种综合减震措施来达到高标准的减震目的。

2）STM探头
STM探头是装置的执行部分，它包括针尖、样品、XYZ方向nm扫描器、信号检测及处理电路和步进粗调驱进装置。

计算机控制步进电机驱动使探针逼近样品，进入隧道区，通过采用差动螺纹使样品与针尖的步进稳定、精密，其步长通常为20—50nm。

XYZ方向nm扫描器由PZT压电陶瓷控制探针X、Y、Z三个方向运动，其中X、Y方向起着扫描的作用，Z方向为一套高精度、高增益的数字反馈电路，以保证装置在Z方向上的高分辨率。

STM图象的质量取决于针尖与样品间距的控制精度，扫描器的质量和电子学的噪声水平决定了其控制精度。

在针尖与样品之间的隧道电流通常只有几个pA至几个nA的大小，很容易受到外界的干扰，因此，对信号检测系统要进行很好的屏蔽。

3）计算机和控制系统
STM电子学控制系统采用DSP技术，与计算机一起构成一个主从结构的并行计算机系统，计算机通过通讯接口由DSP控制STM的各个电子学单元，其中高分辨率16bitDAC控制X、Y、Z方向和偏压，16bitADC数据采集和反馈，10KHz频响高压放大器和步进电机控制器。

4）针尖
STM成象中针尖的制备是非常关键的过程，针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。

针尖的宏观结构具有高的弯曲共振频率，因此减小了相位迟后，提高了采集速度。

当针尖的最尖端只有一个稳定的原子时而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，能够获得原子级分辨率的图象。

针尖的化学纯度高就不会涉及系列势垒。

若针尖表面有氧化层，则其电阻可能高于隧道间隙的电阻，从而导致在针尖和样品之间产生隧道电流之前，二者就发生了碰撞。

将铂——铱丝在丙酮中清洗，在放入超声中清洗，用经丙酮、超声清洗的剪刀剪尖，从而得到针尖。

实验内容及结果：
我们使用的装置是爱建纳米公司的AJ—1型STM，其仪器的主要参数为：样品尺寸Φ≤10mm，扫描范围XY方向3μm×3μm，分辨率XY方向0.1nm，Z方向0.01nm，并具有纳米级步进自动保护驱进。

将样品制备到样品座上，对于石墨样品先用透明胶均匀地按在石墨表面上，然后轻轻将其剥离，露出新鲜的石墨表面，再使样品台和样品座有良好的电接触；将针尖装在金属管中，调节微调螺丝使针尖逼近样品，用放大镜观察，在约0.1—0.2mm处停止，扣好屏蔽罩。

驱动步进电机使针尖逼近隧道区，当进入隧道区时步进电机停止，单脉冲步进，观察Z
向电压，直到接近0时关闭电机。

然后驱动XYZ三个方向的压电陶瓷，使针尖在样品上做光栅式扫描和数据采集，其隧道电流大约在1nA左右，偏压大约50mV，同时对样品不同选区和不同角度进行扫描，从而得到满意的表面成象。

图（3）是1.6μm条纹间距的光盘母盘表面形貌的三维STM视图，图（4）是Ag-TCNQ
金属有机络合物表面STM成象，图（5）是原子间距为0.25nm的高序石墨原子STM图象。

图3
图4
图5
结论：
通过以上STM成象可知，STM可清晰观察宏观样品表面，如图（3）所示；也可清晰观察样品表面微观原子图象，如图（5）所示，且获得微观原子图象操作非常简单；STM与其他传统显微镜相比见表1，光学显微镜和电子显微镜分辨率不够，而高分辨率的透射显微镜尽管能够达到较高的分辨率，但它的样品制作非常麻烦，而且在测量过程中需要高真空环境。

STM不需要昂贵而又难维护的真空设备，只要在大气环境下就可以得到稳定的、高分辨率的原子图象，而且实验装置价钱较电子显微镜便宜，性价比高。

因此，它引起了人们的强烈兴趣，在半导
体、光电子学、微电子、材料科学、纳米技术和化学生物其它邻域将有着广阔的应用前景。

表1 显微镜分辨率的比较。