STM概述和工作原理

　　STM概述

　　1982年，國際商業機器公司蘇黎世實驗室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事們共同研制成功了世界上第一臺新型的表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope，簡稱STM)。STM的出現，使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態，研究與表面電子行為有關的物理和化學性質，在表面科學、材料科學等領域的研究中具有重大的意義和廣闊的應用前景，被國際科學界公認為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發明者們對科學研究的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾因此獲得諾貝爾物理學獎。

　　STM是繼高分辨透射電子顯微鏡，場離子顯微鏡之后，第三種在原子尺度觀察物質表面結構的顯微鏡，其分辨率在水平方向可達0.1nm，垂直方向可達0.01nm，它的出現標志著納米技術研究的一個最重大的轉折，甚至可以標志著納米技術研究的正式起步，這是因為STM具有原子和納米尺度的分析和加工的能力。使用STM，在物理學和化學領域，可用于研究原子之間的微小結合能，制造人造分子;在生物學領域，可用于研究生物細胞和染色體內的單個蛋白質和DNA分子的結構，進行分子切割和組裝手術;在材料學領域，可以用于分析材料的晶格和原子結構，考察晶體中原子尺度上的缺陷;在微電子領域，則可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。

　　STM的工作原理

　　STM是利用量子隧道效應工作的。若以金屬針尖為一電極，被測固體樣品為另一電極，當他們之間的距離小到1nm左右時，就會出現隧道效應，電子從一個電極穿過空間勢壘到達另一電極形成電流。且其中Ub：偏置電壓;k：常數，約等于1，Φ1/2：平均功函數，S：距離。

　　從上式可知，隧道電流與針尖樣品間距S成負指數關系。對于間距的變化非常敏感。因此，當針尖在被測樣品表面做平面掃描時，即使表面僅有原子尺度的起伏，也會導致隧道電流的非常顯著的、甚至接近數量級的變化。這樣就可以通過測量電流的變化來反應表面上原子尺度的起伏，如下圖右邊所示。這就是STM的基本工作原理，這種運行模式稱為恒高模式(保持針尖高度恒定)。

　　STM還有另外一種工作模式，稱為恒流模式，如下圖左邊。此時，針尖掃描過程中，通過電子反饋回路保持隧道電流不變。為維持恒定的電流，針尖隨樣品表面的起伏上下移動，從而記錄下針尖上下運動的軌跡，即可給出樣品表面的形貌。

　　恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式僅適于對表面起伏不大的樣品進行成像。當樣品表面起伏較大時，由于針尖離樣品表面非常近，采用恒高模式掃描容易造成針尖與樣品表面相撞，導致針尖與樣品表面的破壞。