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扫描隧道显微镜
——有关STM图像与理论原子分布图像之间的差异分析
一引言:
1982年,IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼()和海·罗雷尔()研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Micro-scope,简称STM).STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景,,1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金.
扫描隧道显微镜之所以得到发明并且迅速发展,是由于微电子学以极快的速度发展的缘故。作为电子计算机核心部份的硅集成块的集成度要求愈来愈高,其尺寸愈来愈小,所带来的问题是集成块表面积与体积之比的急剧增大,此时在集成块的工作状态中,以及它与其它逻辑元件的相互作用中,表面状态变得愈来愈重要。除此以外,在物理、化学及生物过程中,真实表面状态的研究也有其重要意义。透射电镜虽有很高的分辨率,但它所获得的图像实际上是很薄样品的内部信息,用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。扫描电镜的发明,虽然给表面观察及分析提供了有力的工具,但由于高能电子束对样品有一定穿透深度,所得的信息也不能反映“真实”表面状态。针对这一问题,宾尼与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内,分辨率就达到了原子水平。
归纳起来与其他表面分析技术相比,STM具有如下独特的优点:
1. 具有原子级的高分辨率,STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达 nm 和 nm,即可以分辨出单个原子。
,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。
,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。
(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。
、大气、常温等不同环境下工作,。
,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。
1990年,IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果,他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。
这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。


扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学的隧道效应。隧道效应是微观粒子具有波动性所产生的。由量子力学可知当一粒子进入一势垒中,势垒的高度fo比粒子能量E大时,粒子穿过势垒出现在势垒另一边的几率 p(z)不为零,如图9-1所示。如果两个金属电极用一非常薄的绝缘层隔开,在极板上施加电压VT,电子则会穿过绝缘层由负电极进入正电极。这称为隧道效应,此时电流密度为:
(1-1)
其中
f1和f2为功函数,s为两个电极的间距。
当一个电极由平板状改变为针尖状时就要用隧道结构的三维理论来计算隧道电流。基于Bardeen隧道电流理论,其隧道电流公式为:
(1-2)
其中f(E)为费米统计分布函数:
式中Ψ是波函数,括号中的量是电流算符,积分遍及那些完全处于真空势垒区域中的电极表面。众多的理论都是基于(1-2),(1-3)式,不同之处在于如何处理探头和样品各自单独存在时的本征态;如何假设隧道结的势垒,以及如何讨论温度和偏压的影响。