扫描隧道显微镜（STM）的原理和应用
【摘要】：
本实验主要学习扫描隧道显微镜的工作原理，了解STM的基本仪器结构，掌握
用电化学腐蚀方法制作STM探针，熟悉STM的数据采集并获取石墨的原子分
辨像，分析所得扫描图像计算x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、
15.6。
关键词：
扫描隧道显微镜隧道效应石墨晶体
一、实验引言：
随着材料科学的不断进步，人们能够复制改良设计合成很多种材料。
为了能够探测到一些材料的表面形态，在20世纪80年代基于量子隧道效应，IBM公司的Binning博士、Rohrer博士及其同事研制成功了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy，简称STM）。
两位发明者因此于1986年获得诺贝尔物理学奖。
STM技术的诞生使在纳米尺度范围探测材料的表面特性成为可能，这是因为STM 能够一个原子一个原子地将表面的几何结构和电子结构联系起来，实时地观察单个原子在物质表面的排列状态及与表面电子行为有关的物理、化学性质。
STM技术的最大优势在于可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率在平行于表面的方向可达0.1纳米，在垂直于表面的方向可达0.01纳米，此外，STM还可实时地获得材料表面实空间的三维图像；可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是整个表面的平均性质；配合扫描隧道谱STS可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子势阱等。
在STM之后衍生出了原子力显微镜、磁力显微镜、近场光学显微镜等一系列新型非接触表面探针技术显微镜，使探针显微镜技术日趋完善，并在纳米科技领域中得到越来越广泛的应用。
二、实验原理：
1、量子隧道效应
在量子力学里，如果势能不是无限大，则在）（r V >E 的区域,薛定谔方程的解不
一定为零，即一个入射粒子穿透一个）（r V >E 的有限区域的几率是非零的，这就是隧道效应。
利用图1可以说明隧道效应的物理意义，设图1（上）中为矩形势垒的高度，E 为粒子动能，如图1(下)所示，则势垒穿透厚度为z 的势垒去的几率P 可用下式表示：
P （z ）k x 2-e ∝，其中k=）（E -0m 21ϕ
（1）
图1（上）高度为的矩阵势垒 图1（下）典型的矩形势垒的遂穿几率P （z ）
隧道效应，就是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层，当两端施加势能形成
势垒V 时，导体中有动能E 的部分微粒子在E ＜V 的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V 而达到另一侧的物理现象。
在E ＜V 时，虽不能形成有一定波长的波动，但电子仍能进入V 区的一定深度。
当该势垒区很窄时，即使是动能E 小于势垒V ，也会有一部分电子穿透V 区而自身动能E 不变。
换言之，在E ＜V 时，电子入射势垒就一定有反射电子波存在，但也有透射波存在。
2、STM 工作原理
图2、STM 工作原理示意图
如图2所示为扫描隧道显微镜的工作原理示意图，它利用尖锐的金属针尖和导电样品之间的隧道电流来描述样品表面的局域信息。
导致STM技术发明的主要原因是作为局域探测技术的三个实验难题获得解决：维持只有几埃量级宽的缝隙稳定性技术、使探针在表面以亚埃德精度定位和扫描的压电传感技术、使样品从原理针尖到逼近针尖至5埃以内而不损坏针尖和样品表面的技术。
STM技术的核心就是一个能在表面上扫描并与样品间有一定偏压的针尖。
具体地说，是将极细的探针和被研究的物体表面看做两个电极，当样品和探针的距离非常接近时（通常小于1纳米），它们之间的势垒变得很薄，在外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极间的势垒从一个电极流向另一个电极，通过记录遂道电流的变化就能得到有感样品表面形貌的信息。
通常在STM中，针尖是被固定在一个压电陶瓷制成的扫尾扫描架上，通过改变陶瓷上的电压，使得陶瓷的长度发生微笑的变化，从而使样品于针尖的距离（z 方向）以及针尖在样品表面的位置（x、y方向）发生细微的改变。
在进行针尖扫面时，根据隧道电流与z方向陶瓷电压之间的反馈方式的不同，STM针尖的工作方式分为横高和恒电流两种模式。
所谓的恒电流模式就是利用电子反馈电路保持隧道电流恒定，并将隧道电流反馈到z陶瓷上，控制z陶瓷上的电压从而调节针尖到样品表面的距离进行扫描，探针在垂直于样品表面方向上的高低变化就能放映出样品表面的起伏。
如图3（左）。
将针尖在样品表面扫描时的运动轨迹在计算机屏幕上显示出来就得到了样品表面态密度分布或原子排列的图像。
这种恒电流扫描方式可用于观察表面起伏较大的样品，且可通过测量z方向驱动器上的电压值推算表面高度起伏的数值。
对于表面起伏不大的样品，可以保持针尖高度恒定扫描，通过记录隧道电流的变化也可得到样品表面态密度的分布。
如图3(右)这种横高度扫描方式的特点是扫描速度快，能减少噪音和热漂移对信号的影响，但不能用于观察表面起伏大于1nm的样品，否则很容易使针尖碰坏。
图3 、STM的扫描工作模式（左）恒定电流模式（右）横高模式
3、针尖制备
隧道针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。
针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态。
针尖的宏观结构应使得针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。
如果针尖的尖端只有1或1~2个原子的突出，原则上就能获得原子级分辨，因为隧穿几率随着间距是迅速衰减的，所以针尖的锐度、形状和化学纯度直接影响着STM 图像的质量和分辨率。
通常针尖是用金属材料制成，但根据材料性质的不同，制作针尖的方法也不同，比如Pt/Ir针尖常用机械挤压或研磨的方法，而钨针尖则用电化学腐蚀的方法获得，另外还可以通过电子束沉淀或场致蒸发等材料制备技术，在金属丝的晶面上通过人工控制生长出稳定的单原子针尖。
本实验所用针尖是用直径为0.5mm钨丝经化学腐蚀方法制得的，如图4所示。
U型管中装有NaOH水溶液，U型管一端插入要溶解的钨丝作为阳极，另一端插入阴极，材料也是钨丝。
当在阳极上加约5~40mA的电流时，阴极便有气泡放出。
当钨丝的一端插入到电解液中时，水溶液的表面张力使得钨丝周围形成一个弯液面，弯液面处钨丝溶解较快，并逐步细化，最后在液面下端部分重力帮助下，在液面处溶断成为针尖。
图4、针尖制备
三、实验内容：
实验条件：在粗逼近的过程中，调节电流为1V，电压为1000V，先自动金针，而后单步进针至Z方向的电压为近似100V时停止进针；在扫描的时候，调节隧道电流为2.
5-3V,电压为400V，若x、y方向的压电陶瓷电压为2V，那么扫描时间为400ms。
在逼近和扫描时所选用电压及电流不同，是为了调节进针幅度。
实验仪器：STM系统
通常，STM 主要是由减震系统、粗逼近、扫描架和电子反馈控制系统组成的。
实验方法：用电化学腐蚀法制作STM 针尖，采用隧道效应的原理。
实验步骤：
（1） 制备样品及探针
注意：钨丝浸入溶液的长度控制在1-2mm 。
制备过程中，保持周围环境安静稳定，不要振动，比如人不能碰工作台，不要面对溶液吹气等
（2） 装针尖
（3） 控制和处理软件
（4） 获取石墨的原子分辨像
（5） 图像处理
（6） 计算系统的x 、y 方向上压电陶瓷的电压灵敏度
四、实验结果极其分析：
如下图5所示为在x 、y 方向所加的压电陶瓷电压为2V 、时间400ms 时所得的原子分辨像。
图5、石墨的原子分辨像
在图上取石墨晶体的某一晶向AB ，直线AB 在x 轴和y 轴的截距分别为7.5cm 、3.5cm 。
两节点相间7个c 原子。
由石墨的晶体结构，我们可知所截取的直线上两相邻c 原子的间距为2.460
A 。
由此可得系统在x 、y 方向上电陶瓷的电压灵敏度分别为 =x A 14
5.72cos 4
6.27⨯⨯⨯θ=14.53,cos θ=OA/AB 155.32sin 46.27⨯⨯⨯=θy A =15.6,sin θ=OB/AB
由此可见，利用STM技术可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率可达0.1纳米。
实验的误差来源于制备的探针针尖的质量好坏，测量计算的准确程度。
而针尖的纵横比不同，针尖的质量就不同。
纵横比越小的针尖，做实验所得的效果越好。
弯液面的形状决定针尖的纵横比和整体形状。
弯液面越短，纵横比越小。
在化学反应进行的过程中，钨丝截面的变化和扰动等原因均可能引起弯液面位置的变化，为避免形成畸形针尖，应时刻注意液面的变化。
所以不能对着样品吹气，不能使桌面振动。
钨丝在溶液中的长度也直接影响针尖的质量。
如果在溶液中的残端太长，在重力的作用下，残端掉落得快，这样的针尖纵横比大，会影响针尖的稳定性。
五、实验结论和建议：
本实验中，利用电化学腐蚀的方法制作了探针，并利用所制作的探针扫描石墨样品获取石墨的原子分辨像，最终计算求得系统的x、y方向压电陶瓷的电压灵敏度分别为14.53、15.6。
由此可见，利用STM技术可获得原子级的分辨率，通常它的分辨率可达到0.1nm。
本实验操作精细，对实验仪器的稳定性、实验者的耐性、操作的控制能力都有所考验，实验时切忌毛躁。
六、参考文献：
1、熊俊. 近代物理实验.北京师范大学出版社2007版
2、王思诚.近代物理实验（第三版）.高等教育出版社
3、王魁香.新编近代物理实验.科学出版社。