掃描隧道顯微鏡20世紀重大科技成果之一-文庫吧資料
2025-07-04 14:45本頁面
【正文】 oemission Spectroscopy，XPS），低能電子衍射（Low Energy Electron Diffraction，LEED）等等，這些技術在表面研究中都起著重要作用．但是任何一種技術都有一定的局限性，如透射電子顯微鏡主要研究薄膜樣品的結構，場離子顯微鏡只能探測曲率半徑小于100nm的針尖狀樣品的原子結構，俄歇譜儀只用以提供空間平均的電子結構信息，且這些技術只在真空環(huán)境下才能工作，并對樣品將產生一定程度的損傷；因而電子顯微鏡也存在著自身的缺陷性．2．STM的理論依據(jù) 按照經典物理學計算表明，微觀粒子不能越過比它自身能量高的勢壘，就好像有一座環(huán)形山從外部將它們包圍住一樣，粒子的能量沒有達到使它們可以越過這座山而跑到外邊去．但量子力學認為，由于微觀粒子具有波動性，當一粒子進入一勢壘中，勢壘的高度Φo比粒子能量E大時，粒子穿過勢壘出現(xiàn)在勢壘另一邊的幾率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”． 按照量子理論可推導出在兩平板電極間的粒子穿過勢壘的電流密度為： 如圖（1） 勢壘示意圖 （4）其中h為普朗克常數(shù)，VT為板間電壓，ko為功的函數(shù)，s為兩個電極的間距．J和極間距s成指數(shù)關系，若s增加 0．1nm時，電流將改變一個數(shù)量級．當一個電極由平板狀改變?yōu)獒樇鉅顣r就要用隧道結構的三維理論來計算隧道電流．計算結果是： （5）其中是費米統(tǒng)計分布函數(shù)， V是針尖和表面之間電壓，Eμ和Eν分別是針尖和表面的某一能態(tài)，Mμν是隧道矩陣元． 式中是波函數(shù)，括號中的量是電流算符，積分對整個表面進行；這就是STM的理論依據(jù)． 3．STM的技術實現(xiàn) 任何一項重大科技進步都是在前人眾多成功的經驗和失敗的教訓基礎上，由若干具有遠見卓識的人經過持之不懈的探索再加之以畫龍點睛式的創(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的最初設想，當時他們希望用光束透射一個極細小的圓孔來獲得顯微圖象．因為技術條件不成熟而未實現(xiàn)．70年代初，一位名叫羅伯特多隆特（J．Dellond 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)促進了對光學玻璃的研究．到了十九世紀中葉，光學顯微鏡的放大率已達到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，這就說明光學顯微鏡的放大本領有一個難以超越的極限．那么，光學顯微鏡的性能為什么會有這個難以超越的極限呢？決定這個極限的因素是什么？德國耶拿大學的阿貝（E．Abbe 1840—1905）從波動光學的基礎對顯微鏡的映像理論進行了分析，他認為：問題并不在于顯微鏡本身，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，光波遇到粒子會產生衍射效應．當粒子小于光的波長時，光波將繞過粒子，因而不產生粒子的陰影，我們也就看不清粒子的像．光學顯微鏡是用可見光來觀察物體的，由于光的波動性產生的衍射效應使光學顯微鏡的分辨極限只能達到光波的半波長左右，確切的表達式為： （1）其中λ為波長，α為物鏡的孔徑角，N為折射率，d為最小可分辨長度．顯然
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