在扫描隧道显微镜实验中开展研究性学习

1　引　言

自从1986年扫描隧道显微镜(STM)的发明者Binnig和Rohrer荣获诺贝尔物理奖以来,STM这一新型表面分析技术引起了越来越多的物理学、化学、生物学、材料科学、微电子科学等领域的工作者的关注和兴趣,其理论、实验技术和应用研究也得到了迅速的发展。扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子力学的隧道效应,由量子力学可知,当势垒高度大于粒子能量时,由于粒子的波动性,粒子仍有可能穿透势垒,出现在另一边。如图1所示。

　　在扫描隧道显微镜中,将原子线度的金属探针头和待测的导电样品表面作为两个电极,当两个电极之间的距离小于1 nm时,在外加电场的作用下电子会穿透势垒流向另一极,形成显著的隧道电流I:

　　由式(1)可知,隧道电流强度对针尖和样品之间的距离非常敏感,如果距离S减小0.1 nm,隧道电流I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。

　　图2为STM的实验装置,图3为在实验室里用STM观察到的光栅表面形貌。在实验教学过程中,为了让学生不仅掌握此实验的关键技术,同时激发对物理实验的兴趣,培养和锻炼其创新能力,运用了理论→对比→设置疑问→实践、讨论→理论5步教学法。

2　扫描隧道显微镜的特点

在这个实验中,布置了将隧道效应与空气的高压击穿现象进行比较的题目,通过这个题目要求学生查阅资料,来进一步加深对量子力学中隧道效应概念的理解,更好地理解STM的工作原理。学生在实验室利用高压击穿测试仪,测量得到一些简单的参数,与STM实验讲义中所给出的参数进行简单比较,能对势垒概念有更清晰的认识[1];对实验中隧道电流、偏置电压、隧道宽度等参数的数量级有比较感性的认识,从而在实验操作时更加认真仔细。比较结果如表1所示。

　　在将照相机成像与STM成像进行比较后,学生们就会发现STM的显著优点:①分辨率极高,可以达到原子量级,因此可以深入到微观世界的观察;②能够得到观察对象的三维形貌图,而不是平面图形。

3　探索STM实验系统的关键技术

3.1　获得理想扫描图样关键技术

测试过程中的防震系统和针尖的制备过程是两个至关重要的因素。由(1)式I-S的指数关系可知,样品表面的起伏极为敏感地影响着隧道电流的大小。扫描隧道显微镜的底座常常采用大理石和橡胶垫叠加的方式,其作用主要是用来降低大幅度冲击震动所产生的影响,其固有阻尼一般是临界阻尼的十分之几甚至是百分之几。此外,仪器中经常对探测部分采用弹簧悬吊的方式,以满足扫描隧道显微镜仪器的减震要求。