掃描隧道顯微鏡的原理

 掃描隧道顯微鏡（STM） [1，2]

   掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應。將原子線度的極細探針和被研究物質的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。這種現象即是隧道效應。隧道電流 I 是電子波函數重疊的量度，與針尖和樣品之間距離 S 和平均功函數 Φ 有關：

    V b 是加在針尖和樣品之間的偏置電壓 ， 平均功函數 ，  分別為針尖和樣品的功函數， A 為常數，在真空條件下約等于1。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測樣品應具有一定導電性才可以產生隧道電流。

   由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離 S 減小0.1nm，隧道電流 I 將增加一個數量級，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏，見圖1(a)。將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面態密度的分布或原子排列的圖象。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過加在 z 向驅動器上的電壓值推算表面起伏高度的數值，這是一種常用的掃描模式。對于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表面態度的分布。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。

（a）

（ b）

圖 1 掃描模式示意圖

（ a ）恒電流模式；（ b ）恒高度模式

S 為針尖與樣品間距， I 、 V b 為隧道電流和偏置電壓，

V z 為控制針尖在 z 方向高度的反饋電壓。

   從式可知，在 V b 和 I 保持不變的掃描過程中，如果功函數隨樣品表面的位置而異，也同樣會引起探針與樣品表面間距 S 的變化，因而也引起控制針尖高度的電壓 V z 的變化。如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時，由于不同種類的原子或分子團等具有不同的電子態密度和功函數，此時 掃描隧道顯微鏡(STM) 給出的等電子態密度輪廓不再對應于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態密度組合后的綜合效果。 掃描隧道顯微鏡(STM) 不能區分這兩個因素，但用掃描隧道譜（STS）方法卻能區分。利用表面功函數、偏置電壓與隧道電流之間的關系，可以得到表面電子態和化學特性的有關信息。

    如前所述， 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器本身具有的諸多優點，使它在研究物質表面結構、生物樣品及微電子技術等領域中成為很有效的實驗工具。例如生物學家們研究單個的蛋白質分子或DNA分子；材料學家們考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子器件工程師們設計厚度僅為幾十個原子的電路圖等，都可利用 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器。在 掃描隧道顯微鏡(STM) 問世之前，這些微觀世界還只能用一些煩瑣的、往往是破壞性的方法來進行觀測。而 掃描隧道顯微鏡(STM) 則是對樣品表面進行無損探測，避免了使樣品發生變化，也無需使樣品受破壞性的高能輻射作用。另外，任何借助透鏡來對光或其它輻射進行聚焦的顯微鏡都不可避免的受到一條根本限制：光的衍射現象。由于光的衍射，尺寸小于光波長一半的細節在顯微鏡下將變得模糊。而 掃描隧道顯微鏡(STM) 則能夠輕而易舉地克服這種限制，因而可獲得原子級的高分辨率。表1列出了 掃描隧道顯微鏡(STM) 與EM、FIM的幾項綜合性能指標，讀者從這些性能指標對比中可體會到 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器的優點和特點。

分辨率

工作環境

樣品環境溫度

對樣品破壞程度

檢測深度

STM

原子級

（垂直 0.01nm ）

（橫向0.1nm ）

實環境、

大氣、溶液、真空

室溫

或低溫

無

1~2 原子層

TEM

點分辨

（0.3~0.5nm ）

晶格分辨

（0.1~0.2nm）

高 真 空

室溫

小

接近掃描電鏡，但實際上為樣品厚度所限，一般小于 100nm

SEM

6~10nm

高 真 空

室溫

小

10mm （10 倍時）

1 μ m （ 10000 倍時）

FIM

原子級

超高 真 空

30-80K

有

原子厚度

表1 STM與EM、FIM的各項性能指標比較

    從掃描隧道顯微鏡(STM)的工作原理可知，在掃描隧道顯微鏡(STM)觀測樣品表面的過程中，掃描探針的結構所起的作用是很重要的。如針尖的曲率半徑是影響橫向分辨率的關鍵因素；針尖的尺寸、形狀及化學同一性不僅影響到STM圖象的分辨率，而且還關系到電子結構的測量。因此，精確地觀測描述針尖的幾何形狀與電子特性對于實驗質量的評估有重要的參考價值。掃描隧