扫描隧穿显微镜

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2016/6/1,#,扫描隧穿显微镜,扫描隧道显微镜亦称为,“,扫描穿隧式显微镜,”,、,“,隧道扫描显微镜,”,，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于,1981,年由格尔德,宾宁,(G.Binnig),及海因里希,罗雷尔,(H.Rohrer),在,IBM,位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特,鲁斯卡分享,1986,年诺贝尔物理学奖。,工作原理,扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。,与其他表面分析技术相比，,STM,具有如下独特的优点,具有原子级高分辨率，,STM,在平行于样品表面方向上的分辨率可达,0.1,埃，即可以辨出单个原子。,可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。,可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。,可在,真空,、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他,溶液,中 不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。,配合扫描隧道谱（,STS,）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。,利用,STM,针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。,应用,隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流。金属体内存在大量,自由,电子，这些,自由,电子在金属体内的能量分布集中于,费米能级,附近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此，从经典物理学来看，在金属内的,自由,电子，只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部。但根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有一部分透射。也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的,电子云,。这种效应称为隧道效应。所以，当两种金属靠得很近时（几纳米以下），两种金属的电子云将互相渗透。当加上适当的电压时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流称为隧道电流。,应用,隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感，隧道间隙即使只发生,0.01nm,的变化，也能引起隧道电流的显著变化。,如果用一根很尖的探针（如钨针）在距离该光滑样品表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在,x,，,y,方向扫描，由于每个原子有一定大小，因而在扫描过程中隧道间隙就会随,x,，,y,的不同而不同，流过探针的隧道电流也不同。即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨本领为百分之几纳米的扫描隧道电子显微镜图像。,展望,扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM,将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。,STM,和,SEM,的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM,和,SEM,的结合将渗透到表面科学、,材料科学,、生命科学等各个科学技术领域中,。,