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扫描隧道显微镜的原理及应用综述 刘丹 2006641471 华中师范大学生物化学基地班  摘要 扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）的发明打开了人类对微观世界观察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一分子的反应成为可能。本文简要介绍了扫描隧道显微镜的工作原理以及扫描探针显微技术在化学、生物及物理学等领域的作用和应用前景。最后还揭示了其一定的局限性。 关键字 扫描隧道显微镜 （ＳＴＭ） 隧道效应 扫描隧道显微术应用 引言 在光学显微镜和电子显微镜的结构和性能得到不断完善的同时，基于其它各种原理的显微镜也不断问世。其中，1982年宾尼（G. Binnig）和罗雷尔（H.Rohrer）等人研制成功的扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）是显微镜领域的新成员。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。两位科学家因此与电子显微镜的发明者 图１ G.Binnig H.Rohrer E Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。近年来，在ＳＴＭ的基础上又发展出了另一种扫描探针显微镜---原子力显微镜（ＡＦＭ）。现在一般将ＳＴＭ和ＡＦＭ合称ＳＰＭ（扫描探针显微镜）。 二、隧道效应和扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜的主要原理是利用量子力学中的隧道效应。ＳＴＭ是一种通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。若一质量为 m 的粒子沿Ｘ轴运动时，其势能函数可表示为 V (0≤ X ≤ L) V(x)= 0 ( X＜０,x＞L) 势能曲线如图（书本Ｐ334 figure 12.9） 这种形式的势场称为一维方势垒，V为势垒高度，L为势垒宽度，二者均为有限量值。设一个能量为E（小于V）的粒子自左侧入射到势垒上。按经典力学理论，粒子只能从壁垒被反射回来，绝不可能进入势垒，更不可能穿过势垒而到达势垒右侧区域。因为粒子的能量是动能和势能之和，而V＞E，若粒子进入势垒，就必然出现“负动能”，显然这是不可能的。但根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。 由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度 并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约 为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质即样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I。隧道电流 I的大小与针尖和样品间的距离S 以及样品表面平均势垒的高度φ有关。 若两极间的波函数如书中所给（P337 Box 12.1 Discussion questions 1）,其中（V-E）即势垒高度 。则当两极之间加很 小的直流电压时, 隧道电流密度为 图2 金属表面与针尖的电子云 其中A=4π(2m)1/2/h 由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，当距离改变一个原子台阶的大小（0.2nm~0.3nm）时,电流将改变1000倍。如 Discussion questions 1　中提供的情景，S 从0.5nm增大到0.6nm，V-E=2.0 ev 时，带入数值计算，电流将减少一个数量级。 因此，利用电子反馈线路来控制隧道电流I的恒定（恒流模式），利用压电陶瓷材料来控制针尖在样品表面上的扫描，则探针在垂直于样品方向上的高低变化，就反映出了样品表面的起伏，然后通过微机进行数据处理。对于表面起伏不大的样品，可以控制针尖高度恒定扫描（恒高模式），通过记录隧道电流的表化来得到表面态密度的分布。 图3 STM的结构 总之，通俗的讲，STM就是在给定的偏压下（针尖和样品之间）通过测量表面隧道电流和针尖与表面的距离对应关系。可近似认为，其测量的是表面的局域态密度的变化。而这种局域态密度与表面波函数密切相关，因此可近似认为，STM能够测量表面波函数。进而，通过测