STM概述和工作原理

　　STM概述

　　1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态，研究与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。

　　STM是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜，其分辨率在水平方向可达0.1nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以标志着纳米技术研究的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力。使用STM，在物理学和化学领域，可用于研究原子之间的微小结合能，制造人造分子;在生物学领域，可用于研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术;在材料学领域，可以用于分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷;在微电子领域，则可以用于加工小至原子尺度的新型量子器件。

　　STM的工作原理

　　STM是利用量子隧道效应工作的。若以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当他们之间的距离小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。且其中Ub：偏置电压;k：常数，约等于1，Φ1/2：平均功函数，S：距离。

　　从上式可知，隧道电流与针尖样品间距S成负指数关系。对于间距的变化非常敏感。因此，当针尖在被测样品表面做平面扫描时，即使表面仅有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流的非常显著的、甚至接近数量级的变化。这样就可以通过测量电流的变化来反应表面上原子尺度的起伏，如下图右边所示。这就是STM的基本工作原理，这种运行模式称为恒高模式(保持针尖高度恒定)。

　　STM还有另外一种工作模式，称为恒流模式，如下图左边。此时，针尖扫描过程中，通过电子反馈回路保持隧道电流不变。为维持恒定的电流，针尖随样品表面的起伏上下移动，从而记录下针尖上下运动的轨迹，即可给出样品表面的形貌。

　　恒流模式是STM常用的工作模式，而恒高模式仅适于对表面起伏不大的样品进行成像。当样品表面起伏较大时，由于针尖离样品表面非常近，采用恒高模式扫描容易造成针尖与样品表面相撞，导致针尖与样品表面的破坏。