扫描探针显微镜

 姚　王非**                 叶声华　胡小唐

(天津大学分析中心)　　 (天津大学精密仪器与光电子工程学院)

　  扫描隧道显微镜(STM)[1]的诞生为纳米技术的发展注入了巨大活力,其中一个重要方面是促进了各类扫描探针显微镜(SPM)研究的发展,这些仪器以优于纳米尺度的分辨率展现物质的磁、光、电、声、热等性质.

1　扫描隧道显微镜

　　80年代发展起来的STM是继场离子显微镜和高分辨透射电子显微镜之后,第三种以原子尺度观察物质结构的显微镜,其横向分辨率为0.1～0.2nm,纵向分辨率高达0.01nm.STM可在空气[2]、其它气体或液体环境下[3],用于研究金属表面原子重构[4～6]、蒸发生成的金属薄膜[7,8]和抛光金属表面的光洁度[9]. STM用于半导体材料的研究,解决了表面科学长期面临的难题,观察到Si(111)的7×7重构[10～12]. STM还可用于合成半导体[13,14]和金属半导体材料[15]. STM在超导[16]、声子谱[17～19]、分子振动谱[18,20]、层状材料[21]、吸附分子[22,10]和生物材料[23]的研究中,同样发挥了重大作用.不仅如此,STM已经用于对分子和原子进行操作[24～30],是极具前途的纳米加工手段.

　　当一根金属针非常靠近被观测金属表面时,双方内部的部分电子会克服自身的脱出功,穿过间隙到达对方.这种现象可以用量子力学的势垒贯穿理论予以解释,脱出功和缝隙分别对应势垒高度与宽度,此时形成的电流很小,可视为零.当针尖与表面间加很小电压V时,就会测量到可观的隧道电流J

式中:A=(2π/h)(2m)1/2,h是普郎克常数,m是电子质量;φ是脱出功;S是针尖与表面之间的距离.一般金属的脱出功在几个eV,取典型值4eV,Aφ1/2≈0.2nm-1.如果S变化为ΔS=0.1nm,相应隧道电流改变为e2= 7.4倍,接近一个数量级.将针尖沿与表面平行的x、y方向扫描,在垂直于表面方向,反映表面轮廓的起伏,即S的变化非常灵敏地调制着隧道电流.如果在扫描过程中保持隧道电流恒定,金属针将随表面的凹凸而起伏,通过直接的电信号记录可以描绘出表面的三维形貌.由式(1)可见,隧道电流的强弱不仅与针尖到表面的缝隙有关,而且与脱出功有关.对于均质单元素表面而言,φ在最简单意义上说是个常数;对于双元素或多元素表面,由于隧道效应发生在十分局部的区域,以至于原子集团甚至单个原子也可以给出与临近原子不同的φ.图1示出了STM的工作原理.可见,均质阶越表面和光滑表面的第二相都会导致J的变化.这种复合贡献可以被区分,以高于检出频率的频率调制S,变化为ΔS,可获得直接给出功函数的调制信号JS=Δ(lnJ)/ΔS.