掃描隧道顯微鏡--20世紀(jì)重大科技成果之一講解學(xué)習(xí)

1、精品文檔掃描隧道顯微鏡20世紀(jì)重大科技成果之一關(guān)鍵詞：掃描隧道顯微鏡隧道效應(yīng) 分辨率 控制電路摘要：掃描隧道顯微鏡是利用探針尖端與物質(zhì)表面原子間的不同種類的局域相互作用，來測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電 子結(jié)構(gòu)的顯微新技術(shù)，它的出現(xiàn)被科學(xué)界譽(yù)為是表面科學(xué)和表面現(xiàn)象分析技術(shù)的一次革命.掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnelins Microscopy以下簡稱STM )是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來的一種新型顯 微表面研究新技術(shù)，其核心思想是利用探針尖端與物質(zhì)表面原子間的不同種類的局域相互作用來測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu) 和電子結(jié)構(gòu).1981年在IBM公司瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室工作的G.賓尼希(G. Binning

2、)和H .羅雷爾(H . Rohrer)利用針尖和表面間的隧道電流隨間距變化的性質(zhì)來探測(cè)表面的結(jié)構(gòu)，獲得了實(shí)空間的原子級(jí)分辨圖象這一發(fā)明使 顯微科學(xué)達(dá)到了一個(gè)新的境界，并對(duì)物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用為此G.賓尼希和H 羅雷爾于1986年被授予諾貝爾物理獎(jiǎng).1 .顯微鏡的歷史人類觀察微小物體的歷史是從放大鏡開始的，然后進(jìn)人光學(xué)顯微鏡時(shí)代據(jù)說世界上第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡是荷蘭 的眼鏡師詹森父子于 1590年偶然發(fā)明的.詹森父子制造的顯微鏡是一支可以伸縮的管子，在它的兩頭各放了一片凸透鏡，當(dāng)管子的長短調(diào)節(jié)得合適的距離，用它可以看清很小的物體在當(dāng)時(shí)人們僅是把他制作了這種管子當(dāng)作玩

3、具， 并沒有用到科學(xué)研究上直到十七世紀(jì)中葉，才真正認(rèn)識(shí)到顯微鏡發(fā)明的科學(xué)意義，人們競(jìng)相利用顯微鏡觀察微觀 世界，并給生物學(xué)帶來了劃時(shí)代的進(jìn)步.尤其是英國物理學(xué)家羅伯特胡克(R. Hooke 1635 一 1703),使用自制的顯微鏡觀察生物，并于1665年出版了顯微鏡圖集.為了提高放大率，人們必須增加透鏡的數(shù)目，但隨著透鏡數(shù)目的增加，便遇到了透鏡像差所謂透鏡的像差，就是經(jīng)過透鏡所成的像會(huì)產(chǎn)生畸變、彎曲或延展等缺陷，當(dāng)放大 率增大時(shí)，透鏡的這些缺陷也隨之?dāng)U大，物象也就變得模糊起來，這樣就失去了增大放大率的真實(shí)意義.十八世紀(jì)中葉，德國數(shù)學(xué)家歐拉(L. Euler 1707 1783)和英國光學(xué)家

4、J 多隆特(J. Dello nd 1706 1761 )等人發(fā)現(xiàn)了用不同的玻璃制作的透鏡加以組合消去色差的辦法，這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)光學(xué)玻璃的研究.至廳十九世紀(jì)中 葉，光學(xué)顯微鏡的放大率已達(dá)到l000到1500倍左右；人們發(fā)現(xiàn)，如果再提高顯微鏡的放大率，映像將變得極不清晰，這就說明光學(xué)顯微鏡的放大本領(lǐng)有一個(gè)難以超越的極限.那么，光學(xué)顯微鏡的性能為什么會(huì)有這個(gè)難以超越的 極限呢？決定這個(gè)極限的因素是什么？德國耶拿大學(xué)的阿貝(E. Abbe 1840 1905)從波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)對(duì)顯微鏡的其中入為波長，, 0.61dN sina為物鏡的孔徑角，N為折射率,映像理論進(jìn)行了分析，他認(rèn)為：問題并不在于顯微鏡

5、本身，而起因于作為成像媒介的光波.光線是具有一定波長的 光波，光波遇到粒子會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng).當(dāng)粒子小于光的波長時(shí)，光波將繞過粒子，因而不產(chǎn)生粒子的陰影，我們也 就看不清粒子的像.光學(xué)顯微鏡是用可見光來觀察物體的，由于光的波動(dòng)性產(chǎn)生的衍射效應(yīng)使光學(xué)顯微鏡的分辨極 限只能達(dá)到光波的半波長左右，確切的表達(dá)式為：(1)d為最小可分辨長度.顯然在可見光范圍內(nèi)d的最小值約為0. 3口 m.阿貝從理論上推得，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不超過2000?,這個(gè)數(shù)值與實(shí)驗(yàn)得到的極限值一致.由阿貝理論得知：如果利用波長更短的波來作為像的形成源，顯微鏡的分辨本領(lǐng)有可能進(jìn)一步提高.本世紀(jì)二十年代，法國物理學(xué)家德布羅意(de.

6、Broglie 1892 1980)發(fā)現(xiàn)：一切微觀粒子，例如：電子、質(zhì)子、中子等，也具有波動(dòng)性.人們把這種波稱為德布羅意波.電子的德布羅意波長為:(2)m其中h為普朗克常數(shù)，電子受電場(chǎng) V加速獲得動(dòng)能，其速度為:精品文檔精品文檔1精品文檔所以h、2meV(3)當(dāng)加速電壓在幾十千伏以上時(shí)，考慮相對(duì)論修正，則有:2m°eV(1eV 2),2m°c2'式中mo為電子靜止質(zhì)量，c為光速.當(dāng)電子被100kV的電壓加速時(shí)，電子的波長為0. 0037nrn.顯然，電子的波長比光波的波長短得多，比 丫射線的波長還短于是，人們立即想到是不是可以利用電子束來代替光波？1932年，德國年

7、輕的研究員 E 盧斯卡(E. Ruska 19061988)等人，第一次用電子束得到了鋼網(wǎng)放大形成的電子像，它雄辯 地證實(shí)了使用電子束可以形成與光學(xué)透鏡完全無異的像，從此開始了電子顯微鏡的歷史.顯然電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)大大高于光學(xué)顯微鏡.現(xiàn)代高分辨透射電子顯微鏡(Transmission ElectronMicroscopy, TEM )分辨率優(yōu)于0. 3nm,晶格分辨率可達(dá) 0. I0. 2nm.幾十年來許多分析方法和儀器相繼問世， 如：場(chǎng)離子顯微鏡(Field Ion Microscopy , FIM ),掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy , SEM

8、 ),俄歇譜 儀(Auger Electron Spectroscopy , AES),光電子能譜(X ray Photoemission Spectroscopy , XPS),低能電子衍射(Low Energy Electron Diffraction , LEED )等等，這些技術(shù)在表面研究中都起著重要作用.但是任何一種技術(shù)都有一定的 局限性，如透射電子顯微鏡主要研究薄膜樣品的結(jié)構(gòu)，場(chǎng)離子顯微鏡只能探測(cè)曲率半徑小于100nm的針尖狀樣品的原子結(jié)構(gòu)，俄歇譜儀只用以提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)信息，且這些技術(shù)只在真空環(huán)境下才能工作，并對(duì)樣品將產(chǎn)生 一定程度的損傷；因而電子顯微鏡也存在著自身的缺陷性

9、.2. STM的理論依據(jù)(4)按照經(jīng)典物理學(xué)計(jì)算表明， 微觀粒子不能越過比它自身能量高的勢(shì)壘， 就好像有一座環(huán)形山從外部將它們包圍住一樣，粒子的能量沒有達(dá)到使它 們可以越過這座山而跑到外邊去.但量子力學(xué)認(rèn)為，由于微觀粒子具有波 動(dòng)性，當(dāng)一粒子進(jìn)入一勢(shì)壘中，勢(shì)壘的高度 o比粒子能量E大時(shí)，粒子穿過勢(shì)壘出現(xiàn)在勢(shì)壘另一邊的幾率p(Z)并不為零(如圖1所示)，即粒子在偶然間可以不從山的上面越過去，而是從穿過山的一條隧道中通過去，人們 稱這種現(xiàn)象為"隧道效應(yīng)”.按照量子理論可推導(dǎo)出在兩平板電極間的粒子穿過勢(shì)壘的電流密度為：J 或* Vt e 2kosh 4 2s其中h為普朗克常數(shù)，Vt為板間電

10、壓，ko為功的函數(shù)，s為兩個(gè)電極的間距.J和極間距s成指數(shù)關(guān)系，若s增加0. 1 nm 時(shí)，電流將改變一個(gè)數(shù)量級(jí).當(dāng)一個(gè)電極由平板狀改變?yōu)獒樇鉅顣r(shí)就要用隧道結(jié)構(gòu)的三維理論來計(jì)算隧道電流.計(jì)算結(jié)果是：2 e 2I T f(E)1 f(E eV)M I (E E)其中f (E)是費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布函數(shù),f(E)E EfkTV是針尖和表面之間電壓,E“和Ev分別是針尖和表面的某一能態(tài),M-是隧道矩陣元.h22m dS(式中 是波函數(shù)，括號(hào)中的量是電流算符，積分對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行；這就是STM的理論依據(jù).3. STM的技術(shù)實(shí)現(xiàn)任何一項(xiàng)重大科技進(jìn)步都是在前人眾多成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)基礎(chǔ)上，由若干具有遠(yuǎn)見卓識(shí)的人

11、經(jīng)過持之不 懈的探索再加之以畫龍點(diǎn)睛式的創(chuàng)舉才能夠取得的，STM發(fā)明也不例外.早在 50年代，就有人提出過 STM的最初設(shè)想，當(dāng)時(shí)他們希望用光束透射一個(gè)極細(xì)小的圓孔來獲得顯微圖象因?yàn)榧夹g(shù)條件不成熟而未實(shí)現(xiàn).70年代初，一位名叫羅伯特楊（R .Ya ng）的科學(xué)家在“場(chǎng)發(fā)射顯微鏡”的儀器關(guān)鍵部位上已經(jīng)做到了和如今的STM非常接近.楊和他的同事們采用了一個(gè)極細(xì)小的針尖，通過掃描樣品表面來獲取顯微圖象然而，他們并未利用隧道電流，而是 通過在針尖上加一個(gè)高電壓，從針尖最尖端發(fā)射出一束微小電流（稱為場(chǎng)發(fā)射電流），打擊到樣品表面上，進(jìn)而觀察到其表面形貌這種被楊稱作“形貌儀”的顯微鏡分辨率只達(dá)到一般光學(xué)顯微

12、鏡的水平（0. 2微米）原因是楊的“形貌儀”當(dāng)中，針尖與樣品表面的距離隔得太遠(yuǎn)，針尖與樣品表面產(chǎn)生不了隧道電流，而只能依靠針尖前端的場(chǎng) 發(fā)射電流來成像，分辯率當(dāng)然不會(huì)太高.賓尼希和羅雷爾在看到楊的“形貌儀”后，立即產(chǎn)生了一種天才的想法，利用隧道效應(yīng)再發(fā)明一種新型顯微鏡.從實(shí)際操作的可行性上賓尼希和羅雷爾花了很長時(shí)間才使這一設(shè)想趨于成熟，并付諸實(shí)際應(yīng)用，于1979年提出了 STM這一新型顯微鏡的專利申請(qǐng).在1981年，他們制作了第一臺(tái) STM實(shí)體，并獲得了若干高分辨率顯微圖象.他們制成的這種新型顯微鏡達(dá)到前所未有的驚人的高分辨率，一舉觀測(cè)到了單個(gè)原子的真面目.若以針尖為一電極，被測(cè)固體表面為另一

13、電極，當(dāng)它們之間的距離小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)根據(jù)公式（4）可知：電子可以從一個(gè)電極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢(shì)壘到達(dá)另一個(gè)電極形成電流，其電流大小取決于針尖與表面間距及表面的 電子狀態(tài)如果表面是由同一種原子組成，由于電流與間距成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖在被測(cè)表面上方做平面掃描時(shí)，即 使表面僅有原子尺度的起伏，電流卻有成十倍的變化，這樣就可用現(xiàn)代電子技術(shù)測(cè)出電流的變化，它反映了表面的 起伏.當(dāng)樣品表面起伏較大時(shí)，由于針尖離樣品僅納米高度，恒高度模式掃描會(huì)使針尖撞擊樣品表面造成針尖損壞， 此時(shí)可將針尖安放在壓電陶瓷上，控制壓電陶瓷上電壓，使針尖在掃描中隨表面起伏上下移動(dòng)，在掃描過程中保持隧道電流不變（即間距不變），壓

14、電陶瓷上的電壓變化即反映了表面的起伏.這種運(yùn)行模式稱為恒電流模式，目前STM曲/脈曲編需2圧盛i趕 天悄|亠電»1K可弄百rifJ一”_f Ji-電泓亠fltE值沖出控制電路計(jì)算機(jī)系統(tǒng):如圖（2）為掃描隧道顯微鏡構(gòu)造原理圖隧道顯微鏡主體:壓電播器大都采用這種工作模式.STM主要部件可以分為三大部分：隧道顯微鏡主 體、控制電路、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（測(cè)量軟件及數(shù)據(jù)處理軟 件）如圖（2）.隧道顯微鏡在正常工作時(shí)針尖與樣品 表面的間距僅為納米尺度，而且間距的微小變化都會(huì) 引起電流的劇烈變化.任何建筑物都有振動(dòng)，其諧振 頻率在20Hz附近，振幅可達(dá)微米量級(jí)，還有人的運(yùn) 動(dòng)和聲音的傳播等產(chǎn)生的振動(dòng)都會(huì)影

15、響隧道電流的穩(wěn) 定性.所以STM 一般需要采取嚴(yán)格的隔震措施和與 環(huán)境隔離的措施來保證其獲得原子級(jí)的分辨能力和穩(wěn) 定的圖象.為了得到原子級(jí)的分辨本領(lǐng)，STM的針尖結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵，針尖的粗細(xì)、形狀和化學(xué)性質(zhì)不僅影響 STM圖象的分辨率和圖象的特性，而且在譜的測(cè)定中影響所測(cè)定的電子態(tài).理想的針尖其最尖端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子，并且針尖的表面沒有氧化層和吸附物質(zhì)，這樣才能獲得穩(wěn)定 的隧道電流和原子級(jí)分辨率的圖象.常用的針尖材料為鎢或鉑銥合金，鎢針尖由于剛性好而被廣泛使用，但其表面 容易形成氧化物，所以在使用前需要加以適當(dāng)處理并保持在真空中.鉑銥針尖由于其高度的化學(xué)穩(wěn)定性尤其適合于精品文檔大氣或液態(tài)環(huán)境中使

16、用.針尖的制備一般采用電化學(xué)腐蝕方法，在NaOH或KOH溶液中將鎢絲作為陽極，施加交流或直流電壓，控制電壓和電流及其它電化學(xué)參數(shù)可使腐蝕后的針尖尖端曲率半徑小于50nrn .STM由計(jì)算機(jī)控制數(shù)一模變換提供階梯電壓，經(jīng)過直流高壓放大器后， 分別加在一平面壓電陶瓷管的外電極上，使針尖沿二維平面方向作光柵掃描隧道結(jié)電流經(jīng)過控制電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與預(yù)定電流設(shè)置值比較，不相等時(shí)根 據(jù)差值符號(hào)和幅度輸出相應(yīng)控制值，經(jīng)過高壓放大來改變掃描機(jī)構(gòu)壓電晶體的伸長或收縮，使隧道電流穩(wěn)定在預(yù)定 的設(shè)置值.控制電路的其它部分是用于控制步進(jìn)機(jī)構(gòu)和提供偏壓等功能.由于隧道電流非常微弱僅為納米量級(jí)，STM要求各機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分

17、十分穩(wěn)定，所以控制電路除了要求高靈敏度、高穩(wěn)定度等性能外，其噪聲必須很小.4、STM的優(yōu)越性及其應(yīng)用STM的分辨本領(lǐng)非常之高，大大優(yōu)于一般的電子顯微鏡，它的橫向(表面)及縱向(深度)分辨率可以達(dá)到1埃至0. I埃，而一般的電子顯微鏡僅能達(dá)到幾十納米分辨率就相當(dāng)不錯(cuò)了 用STM來觀察石墨時(shí)，它表面上的碳原子在顯微圖象上就像一個(gè)小饅頭一樣清晰.STM還可以直接觀察到物質(zhì)表面的三維立體圖象，能夠得到物質(zhì)表面的局域結(jié)構(gòu)信息以及電子信息在STM儀器上可以同時(shí)探測(cè)掃描隧道譜( STS)而獲得物質(zhì)表面的勢(shì)壘高度、電荷密度波等物理參數(shù)，這都是電子顯微鏡無法做到的.電子顯微鏡只能夠在高度真空的條件下才能工作；而

18、STM既可以在真空也可以在大氣中工作.工作環(huán)境可以是常溫，也可以是低溫；甚至可以把樣品浸泡在水里，電解液里，或者液氮當(dāng)中.這就大大拓寬了STM的應(yīng)用范圍，許多只能在溶液中保持活性的生物樣品，只有采用STM才能夠做出最接近自然狀態(tài)的觀察.STM的針尖還可以用來移動(dòng)和操縱單個(gè)的原子和分子，這是其他任何類型的顯微鏡都做不到的電子顯微鏡由于附帶了真空系統(tǒng)，體積 上都顯得寵大笨重，而在大氣環(huán)境中工作的STM則小巧玲瓏多了一臺(tái) STM只由三部分組成，每部分的體積都不會(huì)超過一般的個(gè)人用微型計(jì)算機(jī).STM使人們第一次能夠直接觀察到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和跟表面電子行為有關(guān)系的物理化學(xué)性質(zhì)因此，它對(duì)表面科學(xué)、

19、材料科學(xué)、生命科學(xué)和微電子技術(shù)的研究都有著重大的意義和廣闊 的應(yīng)用前景.科學(xué)界一致認(rèn)為，STM的出現(xiàn)是表面科學(xué)和表面現(xiàn)象分析技術(shù)的一次革命.借助性能如此優(yōu)越的顯微鏡，中外科學(xué)家在眾多領(lǐng)域里，開展了各種卓有成效的研究工作，解決了許多理論和實(shí)驗(yàn)上的疑難問題.這里只舉出一個(gè)最經(jīng)典的研究實(shí)例：硅的7X 7表面重構(gòu)如圖(3)為Si (111)表面(7 X 7)再構(gòu)圖示問題.硅是一種最常用的半導(dǎo)體材料，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于晶體類.在晶體的表 面，構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的基本單位一一晶胞，往往會(huì)發(fā)生一定的變化，重新形成表 面上特有的晶胞結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象稱為表面重構(gòu).表面重構(gòu)后的基本結(jié)構(gòu)與晶體 內(nèi)部相比，可以用一些數(shù)字化的指

20、標(biāo)來進(jìn)行表征分類.例如可有2X 1、5X 5、7X 7等表面重構(gòu)，意為表面的基本組成結(jié)構(gòu)和晶體內(nèi)部的基本單位晶胞相比， 在某一方向上增大多少倍等等.硅表面的重構(gòu)現(xiàn)象究竟屬于哪一種？這個(gè)問題困擾了科學(xué)家們長達(dá) 30多年.其間有人用 X射線衍射，低能電子衍射等手段 觀察過多次，始終只是得到推測(cè)的重構(gòu)模式.而沒有直觀的圖象.賓尼希和羅 雷爾發(fā)明STM后不久，即把它應(yīng)用于觀察硅的表面重構(gòu)，從顯微照片上(如 圖4)清晰地顯示出硅表面發(fā)生了7X 7重構(gòu)而不是其他類型.如今，硅表面7X 7重構(gòu)的圖象已成為 STM發(fā)展史上的一張非常經(jīng)典的圖象，并且，許多STM實(shí)驗(yàn)室都可在超高真空條件下，輕而易舉地獲得這一結(jié)果

21、.STM對(duì)金屬表面原子結(jié)構(gòu)、金屬的氧化和腐蝕機(jī)理等進(jìn)行了深入的研究.例如研究Cu表面具有不同氧覆蓋度時(shí)，通過氧在表面化學(xué)吸附誘導(dǎo)銅表面再構(gòu)的形成和生長過程，發(fā)現(xiàn)在Cu ( 100)表面每隔4行丟失1行銅原子，Cu O- Cu原子鏈在Cu (100)表面某一方向成核，然后外延生長.而在Cu (100)表面在不同氧覆蓋度時(shí)有多種再構(gòu)情況，其中(2 X 1 )再構(gòu)是先在平整的平臺(tái)上成核，然后各向異性地生長出Cu O Cu鏈，而Cu ( 6 X 2)再構(gòu)卻先在臺(tái)階邊緣上成核，然后各向異性生長.STM還用于超導(dǎo)材料的研究，它可以在原子尺度的空間研究超導(dǎo)體能隙.例如它被用于Bi2Sr2CaCu2O8高Tc

22、氧化物超導(dǎo)體的 BiO面電子態(tài)密度測(cè)量，結(jié)合其 它分析技術(shù)就可確定材料不同層的電導(dǎo)特性.已有許多實(shí)驗(yàn)室將STM用于薄膜生長機(jī)理研究和薄膜結(jié)構(gòu)性能的研究.例如對(duì)C60分子薄膜在Si和GaAs不同晶面上的生長過程研究，弄清了生核初始階段的標(biāo)度規(guī)律和成核設(shè)置.STM 可在大氣和液態(tài)環(huán)境下使用，而且對(duì)樣品不產(chǎn)生損傷。這些特點(diǎn)對(duì)生物研究特別具有吸引力以往用電鏡 研究生物樣品，由于必須在真空中進(jìn)行，所以樣品處于脫水狀態(tài)，引起樣品狀態(tài)的極大變化 STM 已應(yīng)用于核酸結(jié) 構(gòu)、蛋白 質(zhì)、酶、生物膜結(jié)構(gòu)研究中，并取得一系列進(jìn)展例如對(duì)決定人類遺傳性狀的大分子 DNA 的研究，用 STM 獲得了 在不同環(huán)境下（水、大氣、真空） DNA 分子的形貌，能在接近原子尺度上觀察 DNA 的結(jié)構(gòu)，測(cè)定 DNA 雙螺旋的 螺距、堿基 對(duì)間距、堿基對(duì)夾角等重要參數(shù)第一張 DNA 分子的 STM 圖像于 1989 年 1 月如圖（ 4）為 DNA 分子的 STM 圖像問世（如圖 4），被評(píng)為當(dāng)年美國的第一號(hào)科技成果1990 年中國科學(xué)院上海原子核研究所單分子檢測(cè)和單分子操縱實(shí)驗(yàn)室利用自制的 STM ，與中國科學(xué)院上海細(xì)胞生物學(xué)研究所及前蘇聯(lián)科學(xué)院分子生物學(xué)研究所合作，首次獲得了 一種新的 DNA 構(gòu)型平行雙鏈DNA（Parallel stranded DNA ）的 STM 圖像一切生命