扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图1所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度有关，其关系为 ，式中A为常量。 如果s以nm为单位，以eV为单位，则在真空条件下，A ≈1，。

由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。

一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。

常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图2所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。

STM有两种工作方式。一种称为恒电流模式，如图3所示。利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。

另一种工作模式是恒高度工作，如图4所示。在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离 s 将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名"扫描隧道显微镜"的原因。