扫描隧道显微镜和原子力显微镜

　　1概述

　　扫描隧道显微镜(STM)自从一九八二年间世以来，发展非常迅速，由于它具有惊人的分辨率，使人类第一次看到单个原子的三维立体形态，因此它的两位发明者于一九八六年获得了诺贝尔物理奖。同年又发明了原子力显微镜(AFM)，弥补了STM只能测量导电体的缺点。现在其应用范围涉及到物理、化学、生物、半导体、超级计量等领域。具体研究、测量表面吸附原子、微小粒子的形状、薄膜的厚度和表面状态、量块的表面不平深度、磁盘和光盘、晶体结构、生物分子(如DNA)、金属的杂质、半导体和掩膜、光栅和透镜以及高温超导体等等。由于它具有广泛的用途和诱人的前景，世界上关注3TM和AFM的人越来越多。例如一九八四年第一次STM国际会议参加者仅J0名，而一九九一年第十次STM国际会议时，参加者达1100名。目前STM和AFM已形成一个产业，据估计一九九一年产值达六千二百万美元。美国占世界市场产值的80肠，而50肠的产品销往日本。STM涉及到许多学科，其派生形式和应用范围也正在不断发展。本文仅对半导体和超级计量范围内应用的STM和AFM作一个简述。

　　2STM

　　两个导体表面相互很接近的时候，如它们之间具有电位差，那么在它们相接触之前就已经有电流流过。这是一个量子力学现象，这个效应是早已知道的，并已应用于MOS技术中。

　　图1示出此效应的原理。隧道电流随着接近的量而指数增加。当一个导电表面制成针尖时，电流集中于最高点附近很窄的区域内。这最高点即针尖最后一个原子，在图示情况里，只是在最多Inm直径范围里有电流流过。

　　隧道电流j和间距s之间的关系由下式表示:

　　V:电压

　　Φ:势垒

　　如针尖在表面上移动，那么隧道电流随间距而变化，如使隧道电流保持恒值，那么针尖应作相应的跟踪，这样针尖的位置构成了表面轮廓，为了得到完整的表面图形，针尖在表面上以一条条平行线的形式进行扫描，同时测出针尖的位置。

　　图2示出典型的STM—Nanoseope11的系统框图。

　　该仪器主要技术规格如下

　　工作站

　　计算机:80386PC/AT兼容的CPU

　　4兆字节在线成象RAM

　　140兆字节硬盘

　　彩色图:640x480象素，具有256种色调或256个灰度等级

　　打印机:24针，同时可连接到高分辨率的彩色打印机上。

　　控制单元

　　基电压:土10伏，具有16位分辨率

　　Z向电压:软件可选择士220伏或土55伏，具有16位分辨率

　　X，Y向电压:软件可选择土220伏或土12伏，具有16位分辨率