扫描隧道显微镜的应用范围及发展概述

　　扫描隧道显微镜不但使得人们的视野可直接观察到物质表面的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料进行加工处理，甚至可以操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工(纳米分子学)和分子切割(纳米生物学)的一个重要手段。

　　单原子操纵主要包括三个部分，即单原子的移动、提取和放置。这些技术也是应用单原子操纵在表面上进行原子尺度的结构甚至器件加工所必须的，使用STM进行单原子操纵的较为普遍的方法是在针尖和样品表面之间施加一适当幅值和宽度的电压脉冲，一般为数伏电压和数十毫秒宽度。由于针尖和样品之间的距离非常接近，仅为0.3～1.0nm，因此在电压脉冲的作用下，将会在针尖和样品之间产生一个强度在109～1010V/m数量级的强大电场。这样，表面上的吸附原子将会在强电场的蒸发下被移动或提取，并在表面上留下原子空穴，实现单原子的移动和提取操纵。同样，吸附在SIM针尖上的原子也有可能在强电场的蒸发下而沉积到样品的表面上，实现单原子的放置操纵。掌握好这种单原子操纵的电场蒸发机理就可以按照人们所期望的规律移动，提取和放置原子，实现单原子的可控操纵。

　　利用STM进行原子表面修饰和单原子操纵，它使得原子尺度器件的应用成为可能，因而具有十分广泛的应用前景。它已经在制作单分子、单原子和单电子器件，大幅度提高信息存储量，生命科学中的物种再造以及材料科学中的新原子结构材料的创制等领域中都有很深刻的应用背景。例如运用单原子操纵可以用来实现两种不同方式的单原子存储器。二种是用表面上单原子的空穴作为一个比特来存储信息。在单原子操纵中从表面上移走单个原子而在表面上加工出单原子空穴的结果可以用来写入信息;用单原于修补表面缺陷则既可以用来删除已写入的信息又可以用来清除表面上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。另一种是用放置到表面上的单个原子作为一个比特来存储信息。在单原子操纵中向表面放置单个原子的结果用来写入信息，而施加原子后再移走的结果则既可以用来删除被写入的信息又可以用来清除沉积在表面吸附原子上面的原于所形 成的信息噪音。如果能用单个原子作为一个比特来存诸信息，其储存容量相当大。计算表明，一块面积为1cm2的Si(111)-7×7表面将可以存储约1015比特的信息，是1.3MB磁盘存储器的存储量的7亿6 900万倍.这是无法想象的超级容量。

　　扫描隧道显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善，扫描隧道显微镜将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展。21世纪科学的发展中，扫描隧道显微镜将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术领域中。

　　在科学技术中，如何观察、测量、分析尺寸小于可见光波长的物体，是一个重要的研究方向。自从1933年德国Ruska和Knoll研制了第一台电子显微镜以来，许多用于表面结构分析的现代仪器相继问世，如透射电子显微镜(transmission electron microscope，TEM)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)、场离子显微镜(fieldion microscope，FIM)、俄歇电子能谱仪(anger electron spectroscopy，AES)等等，但是，多数技术都无法直接观测物体的微观世界。

　　1982年，国际商业机器公司(International Business Machine，IBM)苏黎世研究所的Gerb Binnig和Heinrich Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope，简称STM)，它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。

　　1986年，Binnig和Rohrer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，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达0.01 nm。它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因其具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力，在纳米技术的发展中占有着极其重要的地位。使用STM，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子;生物学家可以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;材料学家可以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;微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。

　　1988年，国外开始对AFM进行改进,研制出了激光检测原子力显徽镜(LASER-AFM).以STM和AFM为基础，衍生出了一系列的扫描探针显微镜(scanning probe microscope.SPM)，如激光力显微镜(LFM)，磁力显微镜(MFM)，扫描电化学显微镜(SECM)，近光光学显微镜(SNOM)，扫描离子电导显微镜(SICM)等等。扫描探针显徽镜(SPM)标志着对物质表面在纳米级上成像和分析的一个新技术领域的诞生，必将为纳米技术的发展注入新的活力。中国科学院化学所白春礼等人在1988年初成功地研制了中国第一台集计算机控制、数据分析和图像处理系统于一体的扫描隧道显微镜(STM)，在同年年底又研制出中国第一台原子力显徽镜(AFM)，其性能一下子就达到了原子级分辨率。后来又在已有的STM和AFM基础上，成功地研制出中国首台全自动Laser-AFM，其横向分辨率为0.13nm。

　　继1982年发明在真空条件下工作的STM以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛发展。1984年STM先后用于在大气、蒸馏水、盐水和电解液环境下研究不同物质的表面结构。后来，在STM 的原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括： 原子力显微镜(Atomic Force Micro-scope)简称AFM(它可以直接观察原子和分子，而且用途更为广泛，对导电和非导电样品均适用。AFM也可以作为纳米制造的手段)、原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、摩擦力显微镜、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描隧道电位仪(STP)、扫描离子电导显微镜(SICM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)和扫描超声显微镜等。