掃描隧道顯微鏡的基本原理及其擴展(編輯修改稿)
2025-01-11 01:04 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 對信號的影響。 恒流模式 ： 在 STM 圖像掃描時，保持隧道電流恒定，利用反饋電路控制探針，使針頭在 Z 方向上運動，保持樣品與針尖的距離不變，保持隧道電流不變，從反饋電路中得到樣品與針尖之間的距離變化信息，就反應了樣品的表面起伏，從而得到樣品表面的排列圖樣如圖 所示。恒流模式主要用于觀察表面起伏變化較大的樣品，這時 STM 比較常用的一種工作模式，不足之處就是樣品表面的某些溝槽不能準確探測，且當樣品表面有缺陷時容易損害針尖。 3 STM 的運 用及其 擴 展 STM 的運 用 STM 作為新興的顯微工具，其優(yōu)點是電子顯微鏡及其他分析儀器所無法比擬的 首先 STM 具有極高的分辨率。 STM 可以輕易的看到原子，這是一般顯微鏡甚至電子顯微鏡都無法達到的。我們可以這樣形象地來比喻 STM 的分辨能力，他可以把原子放大到一個網(wǎng)球的大小，就好像把網(wǎng)球放大到地球的大小。 其次， STM 可以捕捉到實時的，真實的高分辨率樣品表面圖像。這不同于其他的掃描系統(tǒng)間接或者計算而得到樣品圖像。 再次 STM 的使用條件寬松， STM 的使用對于環(huán)境的要求不高，遠沒有像電子顯微鏡那樣必須 將樣品放在真空條件下那樣苛刻， STM 可以在真空環(huán)境，大氣環(huán)境，高溫，低溫條件下使用，還可以在液體中使用，這樣就可以保持生物樣品的活性了。這就使得 STM 的使用更加廣泛了，它不僅可以運用于物理，生物，化學等許多基礎學科，還可以在材料，微電子，生物圖 圖 第 5 頁 共 8 頁 工程等應用科學中使用。 最后，相對于電子顯微鏡等大型儀器來說， STM 的價格是比較低的，這也為 STM 的推廣帶來好處。 進行原子級別的觀察 在 1981 年葛賓尼和他的導師海羅雷爾在羅伯特楊的啟發(fā)下研制出了第一臺掃描隧道顯微鏡（ STM），隨后的 1983 年 IBM 的實驗 室里科研人員就利用 STM 觀察到了硅單晶的表面原子排列如圖 所示，大量具有原子分辨率的導電材料和半導體的表面排列被發(fā)表出來，使得人們的視野極大地拓展了 同時 STM 系統(tǒng)能獲得原子級分辨率的圖像，可直接用于觀察單分子體系電子態(tài)的空間分布，觀察分子的幾何模型和空間取向 [8],在前面我們討論了STM 的工作原理，我們利用掃描隧道顯微鏡所觀察到的圖像只是樣品表面的形狀，而不是樣品的所有原子排列情況，同時由于需要產(chǎn)生隧道電流，所以樣品需要具有良好的導電性，由此導致很多生物材料以及非金屬材料的檢測難度較大，并且由 于隧道電流的變化與兩針尖到樣品的距離密切相關所以要求樣品的表面起伏不能太大，否則不但測量的結果不準確，而且容易損害針尖。 實現(xiàn)了單原子與單分子的操控 圖 Si(111)7*7 原子圖像 第 6 頁 共 8 頁 自從 STM 的發(fā)明，它就在廣泛的科技領域應用之后，人們就設想可以利用它來進行原子級別的操作，利用針尖與吸附在樣品表面的分子或原子之間的吸引或排斥關系，使分子或原子發(fā)生移動。終于在 90 年代初， IBM的科學家在 Ni的表面用 Xe寫出“ IBM”三個字母圖 所示，首次打開了人們利用 STM 在低溫進行單原子操控的可能性，此后科學家不斷利用 STM排列出其他樣式 。中國也自 己排列出如下的圖像，雖然這些圖形對科學研究不具有太大的科學意義，然而他們的排列成功卻給我們的科學產(chǎn)生了極大打影響，給人類的微觀操控帶來了可能。 實現(xiàn)單原子化學反應 利用 STM 可以對材料進行單原子上的操控，由此帶來的科技進步是巨大的，現(xiàn)在科學家可以利用 STM 將一個個單原子放在一起構成一個新的分子，或者可以把一個單分子拆開成為幾個分子或原子。如前面我們所知的單原子操控的魅力在于可以選擇性切斷或組成新的化學鍵，這樣就為了單原子化學反應提供了良好的條件，這是一個極具挑戰(zhàn)性的課題，在康奈爾大學的 實驗室當中， STM 就被用來控制單個的 CO 分子與 Ag(110)表面的單個 Fe 原子在 13K 的溫度下成鍵形成 FeCO 和 Fe(CO)2 分子。利用這種方法科學家就可以制作出全新結構的物質(zhì)，可以想象得到，如果我們能夠隨心所欲的對單個原子和分子進行操縱控制，那么我們就可以制作出更多的新型藥品，新型催化劑，新型材料等更多我們無法想象的新產(chǎn)品，這一定會給我們的生活帶來深遠的影響。 在分
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