姓名：马锦锦学号：112133 专业：农产品加工与贮藏
摘要：本文较为详细地介绍了扫描隧道显微镜( Scann ingTunne lingM icroscopy, STM )的基本结构、工作原理及模式，并阐述了STM 在表面结构的观测、表面化学反应、表面微细加工、单原子操作、诱导发光等领域的应用。最后还简单介绍了STM的研究进展。 关键字：扫描隧道显微镜；结构；原理；应用；进展
1引言
扫描隧道显微镜( Scanning TunnelingMicroscope, 简称STM ) 是由IBM 苏黎士研究中心的Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 于1982 年发明的，它是一种基于量子隧道效应的高分辨率显微镜。STM使人类能够在实空间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理、化学性质[9]。它的出现极大地延伸了人类视觉感官的功能，人类的视野第一次深入到原子尺度，STM具有很多优越的性能，可在大气、液体、真空状态下工作，对样品表面也无特殊要求，可以测量单晶、多晶、非晶、纳米相样品；其工作温度可以从4.2K到1000K，特别是STM 可以与其他实验设备结合, 使其应用更加灵活、有效[13]，在物理学、化学表面科学、材料科学、生命科学等领域都获得了广泛的应用，被公认为20 世纪80 年代 十大科技成就之一。STM是继高分辨透射电子显微镜场、离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步[12]，人类进入了直接观察原子、操纵原子的新时代，在原子和分子水平，根据人们的意愿设计、修饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。
2STM的基本结构
一般说来扫描隧道显微镜主要由三个大部分组成：隧道显微镜的主体（主要是探针针尖）、控制电路、计算机控制( 测量软件及数据处理软件)[1]。 图1 STM的结构示意
2.1隧道显微镜主体
探针针尖
STM要靠探针尖端与试件表面相互作用才能“感知”试件表面局域的特征信息。针尖是STM中最精细的部件，它的形状、化学成分、稳定性等都会对扫描结果有很大影响[13]。
针尖的宏观结构应使针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减少相位滞后，提高采集速度。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨的图象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒[2]。
目前STM 探针的加工方法有好多种, 最主要的有电化学腐蚀法、机诫成型法和粒子束刻蚀法等。其中电化学腐蚀法加工设备简单, 成本低, 效率高, 应用较为普遍[3]。用于STM 探针的材料主要有金属钨丝、铂- 铱合金丝等。不论哪一种材料针尖，其表面往往覆盖着一层氧化层，或吸附一定的杂质，这经常会造成隧道电流不稳、噪音大和扫描隧道显微镜图像不可预期性。因此，每次实验前，都要对针尖进行处理，一般用化学法清洗，去除表面的氧化层及杂质，保证针尖具有良好的导电性。
1.2控制电路
电子学控制系统
雨水弃流井
扫描隧道显微镜是一个纳米级的随动系统，因此，电子学控制系统也是一个重要的部分。扫描隧道显微镜要用计算机控制步进电机的驱动，使探针逼近样品，进入隧道区，而后要不断采集隧道电流，在恒电流模式中还要将隧道电流与设定值相比较，再通过反馈系统控制探针的进与退，从而保持隧道电流的稳定。所有这些功能，都是通过电子学控制系统来实现的。
三维扫描控制器
由于三维扫描控制器要控制针尖在样品表面进行高精度的扫描，用普通机械的控制是很难达到这一要求的。目前普遍使用压电陶瓷材料作为x-y-z扫描控制器件。广告伞制作
压电陶瓷利用了压电现象。所谓的压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生形变时会产生电场，或给晶体加一电场时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质，但目前广泛采用的是多晶陶瓷材料。
水刺无纺布
用压电陶瓷材料制成的三维扫描控制器主要有三脚架型、单管型和十字架配合单管型，
除了使用压电陶瓷，还有一些三维扫描控制器使用螺杆、、电机等进行机械调控。
1.3减震系统
隧道显微镜在正常工作时针尖与样品表面的间距仅为纳米尺度，而且间距的微小变化都会引起电流的剧烈变化。任何建筑物的振动、人运动和声音传播产生的振动都会影响隧道电流的稳定性。所以STM 一般需要采取严格的隔震措施来保证其获得原子级的分辨能力和稳定的图像[5]。
1.4计算机系统
在扫描隧道显微镜的计算机系统中，计算机软件所起的作用主要分为“在线扫描控制”和“离线数据分析”两部分。
在线扫描控制主要是参数设置和马达控制。离线数据分析是对脱离扫描过程之后保存下来的图象数据进行各种分析与处理。
2 STM工作原理及工作模式
2.1 STM工作原理
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，他不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒( 如图2)[11]，这个现象称为隧道效应。须强调的是，隧道过程
遵从能量守恒和动量(或准动量)守恒定律。
单片机解码
图2量子力学中的隧道效应
扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，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。由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减；衰减长度约为1nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠；如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)[6]。
隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，即使当距离减小0. 1nm，隧道电流即增加
约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x, y方向进行扫描, 就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。
2.2 STM工作模式
扫描隧道显微镜主要有两种扫描模式: 恒电流模式和恒高度模式。
恒电流模式
恒流模式是在STM 图像扫描时，保持隧道电流恒定，利用反馈电路控制扫描器在z 方向的运动，使样品和针尖的距离不断变化，从反馈电路中得到针尖和样品之间距离变化的信息，就反映了样品表面的起伏，从而得到样品表面原子排列的图像。恒流模式主要用于观察样品表面起伏较大的样品，是STM 比较常用的一种工作模式( 图3)。不足之处就是样品表面微粒之间的某些沟槽不能准确探测，且样品表面有缺陷时，很容易损坏针尖[4]。
图3 恒电流模式
恒高度模式
当已知样品表面非常平整光滑或测量范围非常小时，经常用恒高模式进行扫描(图4) ，即在STM 图像扫描时，始终保持针尖与样品之间距离不变，通过隧道电流的变化就可以得到样品表面起伏变化的信息，从而得到样品表面的原子形貌图像。需要指出的是，上述的表面形貌像还包含了表面电子结构的信息。恒高模式只能用于表面形状起伏不大的样品，其优点就是扫描速度快，从而能够减小噪音和热漂移对信号的影响[7]。
图4 恒高度模式
3 STM的应用
3.1表面结构的观测及微细加工
表面结构的观测
STM工作时，探针将充分接近样品产生一高度空间限制的电子束，因此在成像工作时，STM具有极高的空间分辩率，可以进行表面结构观测。
表面结构的微细加工
1993年中科院北京真空物理实验室就利用STM操纵Si晶体表面的原子，在200nmx200nm尺度上成功的写出了“中国”两字[10]，如图（5）。通过STM 进行的光刻、微区淀积和刻蚀等操作，有可能将目前大规模集成电路线条宽度从微米数量级降到纳米数量级，这是当今世界技术领域追求的目标之一；当器件尺寸达到纳米级甚至原子级时，量子效应可能起主要作用，这时有可能发现新效应，据此可设计出新器件, 用STM 等手段实现这些新设想。除此之外，STM还用于表面结构的探伤及修补，STM可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤，并用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的，然后还可用STM进行成像以检查修补结果的好坏。
粉碎机锤头
图5
3.2表面化学反应研究
微电子与化学工业的大量工艺过程依赖于固体表面发生的化学反应。STM
提供一种与众不同的机遇，在原子水平上研究这些化学反应。例如，观察金属膜与半导体硅化物形成的初始阶段，进而研究jcho ttky势垒的形成及晶体取向生长的性质；通过观察半导体样品表面的能隙状态来研究费米能级的钉扎；研究表面化学反应的原子级细节；对原子簇化合物进行深入研究，以寻求更新更多的特种催化剂[14]。
一种关注3.3单原子操纵
单分子科学是一门新兴的交叉科学，在当前的科技发展中具有重要意义。扫描隧道显微镜是研究单分子的一种强有力而独特的工具。利用STM 的高分辨成像技术，可以对单分子的几何构型和空间取向进行表征；结合谱学技术，甚至可以确定金属富勒烯包合物的空间取向和金属原子在碳笼中的位置；通过利用STM 针尖进行的“分子手术”，能够调控单分子的吸附结构乃至自旋电子态；STM 也可用于单分子原型器件的设计和构建并对其输运性质进行测量研究等[8]。
3.4 诱导发光
扫描隧道显微镜(STM)不仅可以用来观察和操纵纳米世界的一个个原子和
分子，而且还可以诱导发光。STM 诱导发光是利用隧穿电子的高度局域化激发实现隧道结发光的研究，注重在原子分子水平，乃至量子水平上，从空间、能量、时间三个方面来对隧道结和界面处的光电现象进行高分辨表征和检测，能够提供隧道结中电子、激子、等离激元、声子和光子等基本量子之间的耦合与转化，以及各种光学跃迁与衰变的基本信息[15]。例如，Buker 和Kirczenow[19]利用扩展的H ückel 模型计算ZnEtioI 卟啉分子的电子结构，使用费米黄金公式计算了
STM/ZnEtioI/Al2O3 体系的STM 诱导分子发光的光谱；通过针尖到金属衬底之间的精确的有效势，然后进一步通过求解Schrödinger方程得到波函数，求出与给定隧穿电流对应的真实的针尖与衬底之间的距离[17]；对于Si 表面上STML 的发光机制，Thirstrup 等人[20]认为Si 表面上的发光是来自空间中隧穿电子的非直接电偶极相互作用。可是，这样的模型不符合传统的光学跃迁机制和隧穿机制.，Schmidt 等人[18]在近期提出了一个新的Si 表面发光模型；对单原子的STML 的发光机制，虽然现在的研究结果已经初步实现了单分子尺度的发光，但是相关的实验和理论报道还是很有限[16]。
3.5 SEM 和STM 联用
扫描电子显微镜(SEM)和扫描隧道显微镜(STM)都是在实现观察物体表面形态的重要工具，有着非常广泛的应用。普通型的扫描电子显微镜的扫描范围较大，具有10nm 左右的分辨率和很高的放大倍数，
并易于进行选区扫描，而且它还有
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