专题三: 扫描隧穿显微镜

    长期以来人们一直有一个愿望，企盼着有一天能够按人们的意志去安排一个一个的原子以构成人们所需要的材料和器件。由于科学技术的发展，这个愿望已有可能变成现实。 20 世纪 90 年代初，一门崭新的 “ 纳米科学技术 ” (Nano Scale Science and Technology ，缩写为 Nano ST) 已经诞生，它是以许多先进科学技术为基础的多学科技术，也包括纳米材料学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学和纳米工程机械学。

    纳米是 nanometer 的译名，即为 ，通常用 nm 表示。但是要注意，在这里，纳米不仅仅意味着空间尺度小，而且是提出一种新的思考方式，即生产过程要求越来越精细，致使在最后能直接操纵单个原子或分子以制造具有特定功能的产品。正是如此，纳米科学技术必将成为 21 世纪最重要的高新技术之一。

   各国政府均集中大量人力和物力从事纳米科学技术的研究，我国政府也已把纳米科学技术列入攀登计划项目。应该看到，一旦进入纳米技术范围，量子力学效应就会出现。也就是说，我们要开发的这个新领域，量子力学一定会成为必要的工具。我们不应该总是把量子力学局限在理论研究中，而应把量子力学的理论研究成果应用到实际的开发工作中。要运用量子力学原理来设计、研究技术工作。事实表明：纳米科学技术正是成功地把量子力学原理应用于技术领域的光辉典范。

    要能直接安排原子、分子，必须首先能直接观察到原子和分子世界。扫描隧穿显微镜 (scanning tunneling microscopy, 缩写为 STM) 的发明使观察原子、分子乃至直接操纵单个原子成为可能。因此，我们首先介绍扫描隧穿显微镜。

    直接观察材料中单个原子的图像是科学家们一直在追求的目标。在 20 世纪 70 年代，人们用透射电子显微镜 (TEM) 观察到铀、钍原子的像。但是用透射电镜测量时，试样必须放在高真空中，这将引起生物组织脱水而造成假象，另外，试样也可能因高能电子束的辐照而遭受损伤。直到 1981 年，美国 IBM 公司苏黎世实验室的两位科学家：法国人 G ． Binnig 和瑞士人 H ． Rohrer ，发明了扫描隧穿显微镜，才使人们直接观察原子、分子图像的愿望真正成为现实。五年以后，他们两人与电镜的发明者 E ． Ruska 同时获得 1986 年的诺贝尔物理学奖。现在， STM 已成为 Nano ST 的重要工具，那么它究竟是一个什么样的仪器，又是如何工作的呢？

    然而按照量子力学的观点，微观粒子具有波粒二象性，电子波可能会越过金属——真空界面而进入真空区。换句话说，电子可以进入势垒，即逸出金属表面。因此在靠近金属外表面处的电子密度并不是突然降到零，而是按离开金属表面的距离呈指数衰减的方式分布着，衰减的长度约为 1nm 数量级。如果势垒 宽度在 1nm 以，则电子就存在—定的概率可穿透势垒 ( 图 2) 。这种微观粒子穿透势垒的现象称为隧道效应。 STM 正是利用导体中的电子穿过表面势垒的隧道效应制成的。

    假设现在有两块不同的金属导体 A 和 B ，它们非常靠近但是并没有接触，中间为一层薄的绝缘层或真空区，则在金属 A 和金属 B 之间存在 — 个势垒，如图 3 所示。如果在两个金属之间加上一个电压 ，则由于隧道效应，电子可以穿过绝缘层而形成隧道电流。经过量子力学计算，隧道电流密度的大小与两块金属的逸出电势 和 、所加的电压 及两块金属之间的距离 S 有关，即 ,式中 A 为常数， 为平均逸出电势，对于两块均匀的金属表面 。由上式看出， S 在指数上，所以隧道电流 对 S 的变化十分敏感。

    如果把一块已知功函数的金属 A 做成针尖状的电极作为探针，使它能够在 x 、 y 、 z 三个方向上移动，另一个金属 B 为被研究物质的平表面 ( 图 4) ，则隧道电流,式中 为样表面的平均垫垒高度 ( 一般为几个 eV 的数量级 ) ； S 为探针尖与样品之间的距离。 当 S 改变 0.1nm 时， 就会发生数量级的变化。隧道穿透电流 对 S 的变化十分敏感是扫描隧穿显微镜工作的基本依据。 1979 年 1 月 5 日， Binnig 在思考 STM 探针制造时在笔记本中有这样一段话： “ 针尖的球形表面与样品平表面之间的隧道电流呈指数衰减，足以把电流孔径限制在 0.5nm 之内。 ” 显然，考虑到隧道电流随距离的指数衰减是 Binnig 成功发明 STM 的关键一步。

    假设样品表面的逸出电势值 保持恒定，如果我们使探针在样品表面 ( 即 xy 平 面 ) 作二维扫描，并保持隧穿电流为恒定的数值不变，这就要求针尖与样品表面之间的相对距离保持不变，也就是说针尖在 z 方向上必须随样品表面的高低起伏而做同样的高低起伏的运动。可见，针尖在空间的高度变化能反映出样品表面的信息。换句话说，随着样品平面的 xy 值的变化，针尖的 z 值将会 “ 仿 ” 样品表面的高低起伏而具有不同的数值，通过数字 —— 图像转换系统即可获得有关样品表面的三维立体信息，让人们 “ 看到 ” 样品表面的原子分布图像。

    从图 5 看来， STM 的仪器设备似乎并不十分复杂，其工作原理也比较简单，但具体的设计、制作工艺及成像系统要求都很高，制作时存在很多困难。主要技术问题有：

（ 1 ）探针尖的制作

    要能够观察到样品表面的单个原子的图像，探针的针尖必须十分尖锐，针尖的最尖端最好只有一个原子。如何才能制备这样尖锐的针尖呢 ? 现在一般均采用电化学腐蚀的方法，并靠一定的技巧来辅助形成单原子针尖。

(2) 扫描控制与测量系统

    为了得到样品表面的原子图像，必须把探针放到离样品表面只有 1nm 或者更近的地方，而且不能与样品表面接触。只有这样才能保证探针与样品表面产生隧道电流。这也是 STM 制作工艺中的一个关键问题。此外，还要让这样细小的探针能在样品的表面进行扫描，这就需要精细的扫描控制与测量系统。

    扫描装置由压电陶瓷材料制成。压电陶瓷是—种特殊的陶瓷材料。它具有这样的特性：若对它施加一定的电压，它会在某一方向上呈现一定的机械伸缩性，伸长或缩短的尺度与外加电压成正比。常用的压电陶瓷三维扫描控制器有以下三种形式：三角架型、圆筒型和十字架配合圆筒型，如图 6 所示。今以三角架型三维扫描控制器为例加以说明。长棱柱型压电陶瓷材料以相互垂直的方向结合在—起， STM 针尖放在三角架的顶端，三条腿可独立的伸展和收缩，能使针尖沿 x 、 y 和 z 三个方向独立运动。在任何一条腿上加适当的电压，由于压电效应，这条腿将伸长成缩短，从而驱使探针在这个方向上前后移动。其中， x 、 y 方向两个腿的作用是使探针作平行于样品表面的扫描。此外，在 x 、 y 方向作平行表面扫描的同时，反馈系统把输出的反馈电压U_z加到 z 腿上以调整探针与被测佯品表面的间距，从而保持隧道电流J_T恒定。U_z随探针位置 (x 、 y) 的变化反映了 z 腿的运动状态，亦即反映了样品上面高低起伏的信息。对于已知的压电材料，每伏电压伸缩多少纳米的尺度是巳知的，所以 z 上的电压和 x 、 y 上电压的函数关系就是待测表面图像的真实模拟。只要把U_z转换成显示装置上的亮度信号，U_x和U_y为显示装置上光点的 x 、 y 位置，则通过对显示上 x 轴及 y 轴与亮度信号进行定标，即可获得实际样品表面的扫描隧穿显微照片。

图6 常用的压电陶瓷三维扫描控制

(3) 数字—图像转换系统

    为了得到实际样品的扫描隧穿显微照片，必须要有一套良好的数字—图像转换系统及高分辨率图像显示终端。一般均通过计算机内的图像处理软件对初始图像进行一系列的处理，诸如平滑化、背景扣除、区域放大或缩小、剖面线等，处理过后的图像再显示在图像终端上，然后可对终端上显示出的图像拍摄照片或制作幻灯片。

(4)STM 工作的稳定性

    保证 STM 工作条件的稳定性有两方面的含义。一是应尽可能消除和减少出于热运动的影响而带来的热漂移；二是指消除外界震动和仪器内部机械振动的影响，使探针与样品表面间隙保持稳定。这是因为 STM 工作的特点为：利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。而测量隧道电流的关键在于控制探针与样品表面间隙 S 在0.1nm 的范围内变化，所任何微小的机械振动都会使测量失败。一套良好的减震系统也是 STM 的主要技术问题之一。第一代 STM 的减震系统是利用超导磁悬浮原理（将在超导的知识中介绍）。

<<返回页首>> 

3 ． STM 的独特优点

(1) 分辨率高

    STM 的横向分辨率为 0.1nm ，因此它可以清晰地分辨出单个原子的台阶。图 7 给出了用 STM 观察到的石墨表面碳原子分布的显微照片，我们看到碳原子像一个个“小草莓” 一样整齐地排列着。有人曾作出过推算，假如可以用 STM 来观察一个足球、则被“放大”了的足球将像地球一样庞大。

(4) 利用 STM 针尖可以移动和操纵单个的原子与分子。

<<返回页首>>   

4 ． STM 的应用

    由于 STM 的独特优点．必然获得广泛的应用。自它发明以来的近二十年中，不仅在物理学领域，而且在表面科学、材料科学、生命科学及微电子技术等领域的研究都取得许多令人瞩目的成就。它已成为观察微观世界的重要工具和改造微观世界的手段。这里我们介绍几个典型的例子。

(2) 观察 DNA 分子，揭示生命的奥秘

    1989 年世界第一张 DNA 照片的问世揭开了用 STM 揭示生命奥秘的序幕，该成果被评为当年美国第 1 号科

技成果。自此以后， STM 被广泛用于研究核酸、蛋白质、生物膜等生物样品，从而建立了纳生物学。

    1991 年 2 月， IBM 公司刻字科研小组又用 28 个 CO 分子组成 CO 小人，见图 12 ，他从头到脚仅为 5nm、各分子间距为 0.5nm ，是世界上最小的人形图像。 1991 年 6 月日本日立公司研究室实现了空温下单原子的操纵，他们在二硫化钼晶体表面把硫原子有规律地移走而留下了空位，以原子空位的形式排成了“ Peace 9l”字样，每个字母的高度仅为 15nm.