原子力显微镜和扫描隧道显微镜兼容系统的研制

　　扫描隧道显微镜(STM)[1]的发明,使得人类第一次能够获得原子尺度上的三维(3-D)实空间像,实时地观察物质表面的原子排列状态、电子结构和与表面电子行为有关的物理、化学性质.但是,扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理,利用隧道电流进行工作,因而只能研究具有一定导电性的样品.原子力显微镜(AFM)[2]的出现,使人们研究非导体样品的表面性态成为可能.不过,目前商品化的原子力显微镜在系统结构设计和样品表面信息获取方式上却不能与扫描隧道显微镜兼容.本文首先对STM和AFM作一简介,然后叙述我们研制的 AFM/STM兼容系统,最后给出实验结果.

　　1　STM和AFM简述

　　扫描隧道显微镜是一种具有原子分辨率的表面显微分析仪器,其物理基础是量子力学的隧道效应. 根据量子力学理论,当势垒的宽度和厚度有限时,能量低于势垒的电子仍然具有一定的几率穿过势垒, 形成隧道贯穿电流.在扫描隧道显微镜中,将原子线度的尖锐探针和被研究物质表面作为2个电极加上 mV级的电压,当针尖接近到距离样品约为1 nm左右时,在外加电场作用下,电子就会穿过两电极间的势垒产生隧道贯穿电流.通过反馈环路保持隧道电流恒定,同时针尖在样品表面扫描.在扫描过程中, 由于要维持隧道电流恒定,因而样品表面形貌的起伏使针尖纵向位置跟着变化,从这种纵向位置的变化就可得到样品表面的信息.由于隧道电流是由针尖和样品间的隧道势垒引起的,所以扫描隧道显微镜只能观察导电样品,这就限制了它的应用范围.

　　为了研究非导电样品和导电样品,人们研制出了原子力显微镜等具有原子量级分辨率的其它表面显微分析仪器[3].原子力显微镜,是利用针尖和样品原子间的相互作用力进行工作的.对于一般的原子力显微镜,常利用集成电路技术和工艺制造集成的针尖———微悬臂[4,5].当样品相对于针尖扫描时, 由于针尖原子和样品原子之间的短程斥力,使得微悬臂发生弯曲变形,利用反馈环路的反馈控制作用, 保持针尖和样品间力的恒定,通过不同的方法检测这种变形,就可得到样品表面的信息.它与扫描隧道显微镜有两点不同:第一,扫描方式不同,扫描隧道显微镜通常采用样品不动,针尖扫描方式,原子力显微镜则选择针尖不动,样品扫描方式;第二,样品表面信息的表现形式不同,在扫描隧道显微镜中,样品表面形貌的起伏表现为隧道电流信号的变化,而在原子力显微镜中,样品表面形貌的变化则表现为微悬臂的弯曲变形.因此,在原子力显微镜中,微悬臂对力的敏感度是决定图像分辨率的一个关键因素. 但是,由于原子间的斥力非常微弱(约为0·01~1 μN),因此微悬臂对微力作用必须非常敏感,才可能产生足够的形变用于检测和控制.对于微悬臂原子量级的位移变化,人们通常采用光学方法(激光)进行检测.这种激光检测法的优点是简单、可靠,商品化的原子力显微镜中几乎均选择这种方法.但是,采用这种方法通常需要一套单独的仪器,在系统结构设计和样品表面信息获取方式上就不能与扫描隧道显微镜兼容.对于拥有扫描隧道显微镜的大多数用户来说,如果要进行非导电样品的表面研究,要么研制一台原子力显微镜,要么购买一台进口的原子力显微镜.第1种方案在实现上存在困难,其中的微悬臂、压电式微位移爬行器等关键部件目前国内还不能制造;第2种方案受到本身财力的限制,往往也行不通.那么,能否使得一台仪器既可作为扫描隧道显微镜,同时又可作为原子力显微镜呢?到目前为止, 国内尚无有关这种仪器的报道.但是,答案却是肯定的.我们提出了这样一种AFM/STM兼容系统,并且在现有的STM基础上研制了这样一台仪器,下面就对其进行讨论.