掃描隧道顯微鏡20世紀重大科技成果之一-wenkub.com
2025-06-25 14:45 本頁面
【正文】 楊（R．Yang）的科學家在“場發(fā)射顯微鏡”的儀器關鍵部位上已經(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極細小的針尖，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到一般光學顯微鏡的水平（0．2微米）．原因是楊的“形貌儀”當中，針尖與樣品表面的距離隔得太遠，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，利用隧道效應再發(fā)明一種新型顯微鏡．從實際操作的可行性上賓尼希和羅雷爾花了很長時間才使這一設想趨于成熟，并付諸實際應用，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到前所未有的驚人的高分辨率，一舉觀測到了單個原子的真面目．計算機系統(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，當它們之間的距離小到納米數(shù)量級時根據(jù)公式（4）可知：電子可以從一個電極通過隧道效應穿過空間勢壘到達另一個電極形成電流，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)關系，當針尖在被測表面上方做平面掃描時，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)代電子技術測出電流的變化，它反映了表面的起伏．當樣品表面起伏較大時，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，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、計算機系統(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，其諧振頻率在20Hz附近，振幅可達微米量級，還有人的運動和聲音的傳播等產(chǎn)生的振動都會影響隧道電流的穩(wěn)定性．所以STM一般需要采取嚴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，STM的針尖結構 如圖（2）為掃描隧道顯微鏡構造原理圖十分關鍵，針尖的粗細、形狀和化學性質不僅影響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穩(wěn)定的原子，并且針尖的表面沒有氧化層和吸附物質，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，但其表面容易形成氧化物，所以在使用前需要加以適當處理并保持在真空中．鉑銥針尖由于其高度的化學穩(wěn)定性尤其適合于大氣或液態(tài)環(huán)境中使用．針尖的制備一般采用電化學腐蝕方法，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參數(shù)可使腐蝕后的針尖尖端曲率半徑小于50nrn． STM由計算機控制數(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．隧道結電流經(jīng)過控制電路進入計算機系統(tǒng)與預定電流設置值比較，不相等時根據(jù)差值符號和幅度輸出相應控制值，
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