掃描隧道顯微鏡作為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，與其它種類(lèi)的顯微鏡相比，它的分辨本領(lǐng)卻可以達(dá)到10^-10m。以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的掃描隧道顯微鏡，可以在大氣、液體、真空狀態(tài)下工作，可以在4.2K到1000K之間的溫度下工作；并且對(duì)樣品也無(wú)特殊要求，可以測(cè)量單晶、多晶、非晶體等樣品表面；特別是掃描隧道顯微鏡可以與其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)合，應(yīng)用更加有效、靈活。因此，掃描隧道顯微鏡在物理、化學(xué)、生物學(xué)、納米材料等領(lǐng)域中都得到了深入而廣泛的應(yīng)用，并取得了一系列重要的研究成果。

掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用

掃描隧道顯微鏡在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)及微電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了一系列重要成果，并由此誕生了一系列新的學(xué)科分支，如納米生物學(xué)、納米摩擦...[查看全部]

掃描隧道顯微鏡的誕生是電子顯微技術(shù)的一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著人類(lèi)在微觀領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)方面又跨越了一個(gè)新的起點(diǎn)，對(duì)化學(xué)、物理、生命科學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科的許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大的影響。

掃描隧道顯微鏡的發(fā)展歷史

17世紀(jì)，世界上第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡發(fā)明成功，并且利用這臺(tái)顯微鏡，人類(lèi)首次觀察到了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，從而開(kāi)始了人類(lèi)使用儀器研究微觀世界的新時(shí)代。但是，由于受光波長(zhǎng)的限制，光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到10^-6m~10^-7m。20世紀(jì)初，利用電子透鏡使電子束聚焦的原理，成功的發(fā)明了電子顯微鏡，它的分辨率達(dá)到了10^-8m。有了電子顯微鏡，比細(xì)胞小得多的病毒也露出了原形，增強(qiáng)了人們觀察微觀世界的能力。

1982年，格爾德·賓寧(Binning)和海因里?！ち_雷(Rohrer)在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了，世界上第一臺(tái)具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡，利用針尖和表面間的隧道電流隨間距變化的性質(zhì)來(lái)探測(cè)表面的結(jié)構(gòu)，獲得了實(shí)空間的原子級(jí)分辨圖像。這一發(fā)明使顯微科學(xué)達(dá)到了一個(gè)新的境界，并對(duì)物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。為此格爾德·賓寧和海因里?！ち_雷于1986年被授予諾貝爾物理獎(jiǎng)。

掃描隧道顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀

1982年，國(guó)際上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡誕生，而在1988年，白春禮成功研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制、有數(shù)據(jù)分析和圖像處理系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡，這一科學(xué)成就使我國(guó)在表面研究領(lǐng)域一步跨入了“原子世界”。1993年初，白春禮和超導(dǎo)專(zhuān)家趙忠賢合作推出了我國(guó)第一臺(tái)低溫掃描隧道顯微鏡，對(duì)于研究低溫下材料的表面特性有重要的意義。

由于掃描隧道顯微鏡具有分辨率高、需要樣品量小并可在溶液中成像等特點(diǎn)，所以在生物領(lǐng)域中倍受青睞。在研究生物分子的激活，蛋白質(zhì)與DNA的復(fù)合以及病毒和細(xì)胞的生物變化過(guò)程等方面，掃描隧道顯微鏡都有許多有價(jià)值性的工作。如中國(guó)科學(xué)院上海原子核研究所與中

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掃描隧道顯微鏡(STM)是20世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型顯微表面研究新技術(shù)，其核心思想是利用探針尖端與物質(zhì)表面原子間的不同種類(lèi)的局域相互作用，來(lái)測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。

掃描隧道顯微鏡的原理

1、量子隧穿效應(yīng)

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的理論，如果一個(gè)勢(shì)壘高于電子的能量，那么這個(gè)電子無(wú)法越過(guò)此勢(shì)壘。然而在量子力學(xué)中，由于電子具有波粒二象性，該電子具有一定的可能性穿過(guò)這個(gè)勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象被稱(chēng)為量子隧穿效應(yīng)。

掃描隧道顯微鏡則利用遂穿效應(yīng)，當(dāng)樣品表面和針尖之間的距離小于1nm時(shí)，樣品表面電子云和針尖的電子云會(huì)有一部分重合，此時(shí)若在它們之間施加電壓，那么在針尖和材料表面之間會(huì)產(chǎn)生電流，這就是隧道電流。隧道電流的大小與針尖到樣品表面的距離呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖與樣品表面的距離發(fā)生一個(gè)微小的變化時(shí)，隧道電流的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，從而實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡超高的原子級(jí)分辨率。

2、壓電效應(yīng)

為了實(shí)現(xiàn)掃描隧道顯微鏡原子級(jí)的高分辨率，需要對(duì)探針的位置和探針到樣品的距離進(jìn)行精確的控制，這就利用到了壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)壓電材料的兩端施加一個(gè)電壓時(shí)，此材料會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變。掃描隧道顯微鏡利用該原理，對(duì)壓電陶瓷兩端施加不同的電壓，使陶瓷發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)針尖位置的精確控制和改變。

掃描隧道顯微鏡的工作模式

隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴(lài)關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

掃描隧道顯微鏡的基本成像方式有恒高模式和恒流模式兩種。如果樣品的表面功函數(shù)相同，則這兩種基本模式可以反映真實(shí)的樣品形貌。而實(shí)際測(cè)量的多數(shù)樣品都是由不同化學(xué)組分構(gòu)成的，這時(shí)因?yàn)椴煌课槐砻婀瘮?shù)不相同，掃描隧道顯

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掃描隧道顯微鏡是利用探針尖端與物質(zhì)表面原子間的不同種類(lèi)的局域相互作用，來(lái)測(cè)量表面原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的顯微新技術(shù)，它的出現(xiàn)被科學(xué)界譽(yù)為是表面科學(xué)和表面現(xiàn)象分析技術(shù)的一次革命。掃描隧道顯微鏡通常包括精細(xì)定位掃描系統(tǒng)(包括探針和掃描頭)、前置放大器、反饋系統(tǒng)、粗步進(jìn)裝置(步進(jìn)器)、隔音系統(tǒng)(通常在非真空掃描隧道顯微鏡中使用)、減震系統(tǒng)和控制與成像系統(tǒng)。

掃描隧道顯微鏡探針與掃描頭

根據(jù)掃描隧道顯微鏡基本原理，要求探針和樣品具有導(dǎo)電能力，通常掃描隧道顯微鏡使用金屬鎢或者鉑銥合金作為探針。這兩種探針硬度較高，在高速掃描時(shí)針尖不易發(fā)生晃動(dòng)導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。

目前主要有兩種制備探針的方法：機(jī)器剪切和電化學(xué)腐蝕。機(jī)器剪切是通過(guò)對(duì)探針原材料用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行切削，從而制成結(jié)構(gòu)精細(xì)的探針。電化學(xué)腐蝕是通過(guò)把針尖原材料和金屬電極作為兩極，浸于強(qiáng)電解質(zhì)溶液里，通過(guò)改變電流和電壓，從而對(duì)針尖原材料進(jìn)行腐蝕，制成探針。

掃描隧道顯微鏡的掃描頭需要具有極高的定位精度，通常由壓電陶瓷材料制成。第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡中使用的是三腳架形壓電陶瓷掃描器。用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有三腳架型、單管型和十字架配合單管型等幾種。

掃描隧道顯微鏡減震系統(tǒng)

由于掃描隧道顯微鏡工作時(shí)針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時(shí)隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動(dòng)都會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類(lèi)型的擾動(dòng)是震動(dòng)和沖擊，其中震動(dòng)隔絕是最主要的。隔絕震動(dòng)主要從考慮外界震動(dòng)的頻率與掃描隧道顯微鏡的固有頻率入手。

外界震動(dòng)如建筑物的震動(dòng)，通風(fēng)管道、變壓器和馬達(dá)的震動(dòng)、工作人員所引起的震動(dòng)等，其頻率一般在100Hz之間，因此隔絕震動(dòng)的方法主要是靠提高掃描隧道顯微鏡的固有頻率和使用震動(dòng)阻尼系統(tǒng)。

掃描隧道顯微鏡的底座常常采用金屬板(或大理石)和橡膠墊疊加的方式，其作用主要是用來(lái)降低大幅度沖擊震動(dòng)所產(chǎn)生的影響，其

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掃描隧道顯微鏡在物理學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)及微電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了一系列重要成果，并由此誕生了一系列新的學(xué)科分支，如納米生物學(xué)、納米摩擦學(xué)等，他的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

掃描隧道顯微鏡在物理學(xué)方面的應(yīng)用

在物理學(xué)方面，掃描隧道顯微鏡已對(duì)石墨、硅以及金晶體等表面狀況進(jìn)行了觀察，對(duì)超導(dǎo)體表面的電子結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究。在化學(xué)方面，主要用于研究有機(jī)或無(wú)機(jī)分子在表面吸附、表面催化、表面鈍化和電化學(xué)動(dòng)態(tài)過(guò)程等。

掃描隧道顯微鏡在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

在生命科學(xué)領(lǐng)域，掃描隧道顯微鏡更是起著巨大的作用，顯示了強(qiáng)大的生命力。蛋白質(zhì)和核酸這兩種重要的生物大分子的幾何尺度一般在幾個(gè)到幾十個(gè)納米范圍內(nèi)，以往主要通過(guò)電子顯微鏡和X射線衍射方法進(jìn)行研究。

電子顯微鏡雖有許多優(yōu)點(diǎn)，但使用時(shí)必須要求高真空和外源高壓電子束。高真空容易使大分子脫水，分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，外源高壓電子束對(duì)生物大分子會(huì)造成輻射損傷。相比之下，掃描隧道顯微鏡不僅具有空前的原子級(jí)空間分辨率，能在原子水平、分子水平、亞細(xì)胞水平和細(xì)胞水平等不同層次上全面觀察和研究生物樣品的結(jié)構(gòu)，如利用掃描隧道顯微鏡已可看到單鏈DNA分子的多個(gè)堿基，而且他不使用自由粒子，當(dāng)然無(wú)輻射損傷和污染，也無(wú)需透鏡和專(zhuān)門(mén)的電子源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，他還能在大氣、水溶液等生命的天然條件下或準(zhǔn)天然條件下，對(duì)生物樣品進(jìn)行直接觀察，這正是生命科學(xué)家夢(mèng)寐以求的。

掃描隧道顯微鏡觀察電子結(jié)構(gòu)

材料表面電子結(jié)構(gòu)的表征是通過(guò)使用掃描隧道譜學(xué)技術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)STS)對(duì)樣品表面的電子態(tài)進(jìn)行能量和空間的分辨。對(duì)電子結(jié)構(gòu)的表征方法主要有兩種：dI/dV譜和dI/dV成像。

固定掃描隧道顯微鏡針尖在樣品表面的位置，改變偏壓的大小，通過(guò)記錄電流值進(jìn)行數(shù)值微分，從而得到dI/dV譜，它可以反映樣品表面該點(diǎn)處的局域態(tài)密度在不同能量下的分布。dI/dV成像是指通過(guò)保持同一偏壓，改變針

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