掃描隧道顯微鏡20世紀(jì)重大科技成果之一(編輯修改稿)
2024-07-25 14:45 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ，Mμν是隧道矩陣元． 式中是波函數(shù)，括號中的量是電流算符，積分對整個(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)見卓識的人經(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．Yang）的科學(xué)家在“場發(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發(fā)射電流來成像，分辯率當(dāng)然不會太高．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．在1981年，他們制作了第一臺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，一舉觀測到了單個(gè)原子的真面目．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電路隧道顯微鏡主體若以針尖為一電極，被測固體表面為另一電極，當(dāng)它們之間的距離小到納米數(shù)量級時(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，還有人的運(yùn)動(dòng)和聲音的傳播等產(chǎn)生的振動(dòng)都會影響隧道電流的穩(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的分辨能力和穩(wěn)定的圖象． 為了得到原子級的分辨本領(lǐng)，STM的針尖結(jié)構(gòu) 如圖（2）為掃描隧道顯微鏡構(gòu)造原理圖十分關(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，而且在譜的測定中影響所測定的電子態(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，
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