評論(0

掃描隧道顯微鏡

標籤: 暫無標籤

掃描隧道顯微鏡根據量子隧道效應來獲取反映樣品表面形貌及電子態圖象的一種新型顯微鏡,簡稱STM。20 世紀80年代初發展起來的第三種能夠直接觀察到單個原子象的顯微鏡。STM可在 大氣、真空、常溫、低溫、高溫中,甚至在液體、電解液等環境中直接觀察自然狀態下的物體表面現象和動態過程。避免了生物樣品在真空中因脫水而產生的假象, 以及固體材料因製成TEM超薄樣品后與原來大塊樣品的性質間的差異,也不存在高能電子束對樣品的輻照損傷。用STM第一次在實空間清楚地直接觀察到Si (111)表面7X7結構的空間位置,解決了表面科學中長期爭論不休的難題;也直接觀察到了含水的生物樣品, 如DNA的內部結構等,在科學技術各領域中有著廣闊的應用前景。

1 掃描隧道顯微鏡 -概念解讀

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡
掃描隧道顯微鏡的英文縮寫是STM。它是20世紀80年代初期出現的一種新型表面分析工具。其基本原理是基於量子力學的隧道效應和三維掃描。它是用一個極細的尖針,針尖頭部為單個原子去接近樣品表面,當針尖和樣品表面靠得很近,即小於1納米時,針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓,電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級10A的隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恆定,並使針尖沿表面進行精確的三維移動,就可將表面形貌和表面電子態等有關表面信息記錄下來。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間解析度,橫向可達0.1納米,縱向可優於0.01納米。它主要用來描繪表面三維的原子結構圖,在納米尺度上研究物質的特性,利用掃描隧道顯微鏡還可以實現對錶面的納米加工,如直接操縱原子或分子,完成對錶面的刻蝕、修飾以及直接書寫等。目前掃描隧道顯微鏡取得了一系列新進展,出現了原子力顯微鏡AFM、彈道電子發射顯微鏡BEEM、光子掃描隧道顯微鏡PSTM,以及掃描近場光學顯微鏡SNOM等。

掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM)的優點是三態(固態、液態和氣態)物質均可進行觀察,而普通電鏡只能觀察製作好的固體標本。 

2 掃描隧道顯微鏡 -工作原理

其基本原理是基於量子力學的隧道效應和三維掃描。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡工作原理(概念圖)
隧道效應是量子力學中的微觀粒子所具有的特性,即在電子能量低於它要穿過的勢壘高度時,由於電子具有波動性而具有穿過勢壘的幾率。工作時,必須定時地檢測針尖和樣品之間的隧道電流的變化,從而,STM只能直接觀察導體和半導體的表面結構。為了克服STM的不足之處,Binnig,Quate和Gerber決定用微懸臂作為信號的傳播媒介,把微懸臂放在樣品和STM的針尖之間,於1986年推出了原子力顯微鏡(atomicforce microscope,簡稱AFM)。AFM是通過探針與被測樣品之間微弱的相互作用力(原子力)來獲得物質表面形貌的信息,因此,AFM能直接觀測導電和非導電樣品的表面結構。

掃描隧道顯微鏡主要構成有:頂部直徑約為50—100nm的極細金屬針尖(通常由金屬鎢製成),用於掃描和電流反饋的控制器,三個相互垂直的壓電陶瓷(Px,Py,Pz),主要應用壓電陶瓷的良好的壓電性能進行三維掃描。STM利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描,並根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品的距離非常接近(大約為0.5—1.0nm),所以他們之間的電子云互相重疊。當在它們之間施加一偏置電壓Ub(Ub通常為2mV—2V)時,電子就可以因量子隧道效應由針尖(或樣品)轉移到樣品(或針尖),在針尖與樣品的表面之間形成隧道電流,此隧道電流可以表示為:

l∝Ubexp(-kφ1/2s),其中,k為常數,在真空條件下k≈1;φ為針尖與樣品的平均功函數;s為針尖與樣品表面之間的距離,一般為0.3—1.0nm.由於隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關係,因此,電流對針尖和樣品表面之間的距離的變化非常敏感。STM的工作模式有兩種,恆電流模式和恆高度模式。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡電路圖
運用STM不僅可以直接觀測到材料表面的單個原子和原子在表面上的三維結構圖像,而且還可以在觀測材料表面原子結構的同時得到材料表面的掃描隧道譜,從而研究材料表面的化學結構和電子狀態。另外,STM實驗還可以在多種環境中進行:如大氣,惰性氣體,超高真空或液體,包 括絕緣的和低溫(如液氮、液氦)液體,甚至在電解液中。工作溫度可以從絕對零度到上千攝氏度。這也是以往任何一種顯微技術都無法實現的。

通俗地說,掃描隧道顯微鏡就是用一個金屬針尖在在樣品表面掃描。當針尖和樣品表面距離很近時(1nm以下), 針尖和樣品表面之間會產生電壓。當針尖沿X和Y方向在樣品表面掃描時,就會在針尖和樣品表面第一層電子之間產生電子隧道。該顯微鏡設計的沿Z字形掃描, 可保持電流的恆定。因此,針尖的移動是隧道電流的作用,並且可以反映在熒光幕上。連續的掃描可以建立起原子級解析度的表面像。

3 掃描隧道顯微鏡 -發展概述

掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,STM) 由Binnig等1981年發明,根據量子力學原理中的隧道效應而設計。當原子尺度的針尖在不到一個納米的高度上掃描樣品時,此處電子云重疊,外加一電壓(2mV~2V),針尖與樣品之間產生隧道效應而有電子逸出,形成隧道電流。電流強度和針尖與樣品間的距離有函數關係,當探針沿物質表面按給定高度掃描時,因樣品表面原子凹凸不平,使探針與物質表面間的距離不斷發生改變,從而引起電流不斷發生改變。將電流的這種改變圖像化即可顯示出原子水平的凹凸形態。掃描隧道顯微鏡的解析度很高,橫向為0.1~0.2nm,縱向可達0.001nm。它的優點是三態(固態、液態和氣態)物質均可進行觀察,而普通電鏡只能觀察製作好的固體標本。

在科學技術中,如何觀察、測量、分析尺寸小於可見光波長的物體,是一個重要的研究方向。自從1933年德國Ruska和Knoll研製了第一台電子顯微鏡以來,許多用於表面結構分析的現代儀器相繼問世,如透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)、場離子顯微鏡(fieldion microscope,FIM)、俄歇電子能譜儀(anger electron spectroscopy,AES)等等,但是,多數技術都無法直接觀測物體的微觀世界。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡
1982年,國際商業機器公司(International Business Machine,IBM)蘇黎世研究所的Gerb Binnig和Heinrich Rohrer及其同事們成功地研製出世界上第一台掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope,簡稱STM),它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態,並能夠研究其相關的物理和化學特性。

1986年,Binnig和Rohrer獲得諾貝爾物理學獎。STM是繼高分辨透射電子顯微鏡,場離子顯微鏡之後,第三種以原子尺寸觀察物質表面結構的顯微鏡,其解析度水平方向可達0.04nm,垂直方向可達0.01 nm。它的出現標誌著納米技術研究的一個最重大的轉折,甚至可以說標誌著納米技術研究的正式起步。因其具有原子和納米尺度的分析和加工的能力,在納米技術的發展中佔有著極其重要的地位。使用STM,物理學家和化學家可以研究原子之間的微小結合能,製造人造分子;生物學家可以研究生物細胞和染色體內的單個蛋白質和DNA分子的結構,進行分子切割和組裝手術;材料學家可以分析材料的晶格和原子結構,考察晶體中原子尺度上的缺陷;微電子學家則可以加工小至原子尺度的新型量子器件。

1988年,國外開始對AFM進行改進,研製出了激光檢測原子力顯徽鏡(LASER-AFM).以STM和AFM為基礎,衍生出了一系列的掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope.SPM),如激光力顯微鏡(LFM),磁力顯微鏡(MFM),掃描電化學顯微鏡(SECM),近光光學顯微鏡(SNOM),掃描離子電導顯微鏡(SICM)等等。掃描探針顯徽鏡(SPM)標誌著對物質表面在納米級上成像和分析的一個新技術領域的誕生,必將為納米技術的發展注入新的活力。中國科學院化學所白春禮等人在1988年初成功地研製了中國第一台集計算機控制、數據分析和圖像處理系統於一體的掃描隧道顯微鏡(STM),在同年年底又研製出中國第一台原子力顯徽鏡(AFM),其性能一下子就達到了原子級解析度。後來又在已有的STM和AFM基礎上,成功地研製出中國首台全自動Laser-AFM,其橫向解析度為0.13nm。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡

繼1982年發明在真空條件下工作的STM以來,掃描隧道顯微技術及其應用得到了迅猛發展。1984年STM先後用於在大氣、蒸餾水、鹽水和電解液環境下研究不同物質的表面結構。後來,在STM 的原理的基礎上又發明了一系列新型的顯微鏡。這些顯微鏡包括: 原子力顯微鏡(Atomic Force Micro-scope)簡稱AFM(它可以直接觀察原子和分子,而且用途更為廣泛,對導電和非導電樣品均適用。AFM也可以作為納米製造的手段)、原子力顯微鏡(AFM)、激光力顯微鏡(LFM)、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡(MFM)、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發射顯微鏡(BEEM)、掃描隧道電位儀(STP)、掃描離子電導顯微鏡(SICM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)和掃描超聲顯微鏡等。

4 掃描隧道顯微鏡 -基本結構

隧道針尖

隧道針尖的結構是掃描隧道顯微技術要解決的主要問題之一。針尖的大小、形狀和化學同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖象的解析度和圖象的形狀,而且也影響著測定的電子態。   

針尖的宏觀結構應使得針尖具有高的彎曲共振頻率,從而可以減少相位滯后,提高採集速度。如果針尖的尖端只有一個穩定的原子而不是有多重針尖,那麼隧道電流就會很穩定,而且能夠獲得原子級分辨的圖象。針尖的化學純度高,就不會涉及系列勢壘。例如,針尖表面若有氧化層,則其電阻可能會高於隧道間隙的阻值,從而導致針尖和樣品間產生隧道電流之前,二者就發生碰撞。   

目前製備針尖的方法主要有電化學腐蝕法、機械成型法等。   

製備針尖的材料主要有金屬鎢絲、鉑- 銥合金絲等。鎢針尖的製備常用電化學腐蝕法。而鉑- 銥合金針尖則多用機械成型法,一般 直接用剪刀剪切 而成。不論哪一種針尖,其表面往往覆蓋著一層氧化層,或吸附一定的雜質,這經常是造成隧道電流不穩、噪音大和掃描隧道顯微鏡圖象的不可預期性的原因。因此,每次實驗前,都要對針尖進行處理,一般用化學法清洗,去除表面的氧化層及雜質,保證針尖具有良好的導電性。

三維掃描控制器

 由於儀器中要控制針尖在樣品表面進行高精度的掃描,用普通機械的控制是很難達到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。   

壓電陶瓷利用了壓電現象。所謂的壓電現象是指某種類型的晶體在受到機械力發生形變時會產生電場,或給晶體加一電場時晶體會產生物理形變的現象。許多化合物的單晶,如石英等都具有壓電性質,但目前廣泛採用的是多晶陶瓷材料,例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡單的方式將1mV-1000V的電壓信號轉換成十幾分之一納米到幾微米的位移。   

用壓電陶瓷材料製成的三維掃描控制器主要有以下幾種   

①三腳架型,由三根獨立的長稜柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結合在一起,針尖放在三腳架的頂端,三條腿獨立地伸展與收縮,使針尖沿x-y-z三個方向運動。   

②單管型,陶瓷管的外部電極分成面積相等的四份,內壁為一整體電極,在其中一塊電極上施加電壓,管子的這一部分就會伸展或收縮(由電壓的正負和壓電陶瓷的極化方向決定),導致陶瓷管向垂直於管軸的方向彎曲。通過在相鄰的兩個電極上按一定順序施加電壓就可以實現在x-y方向的相互垂直移動。在z方向的運動是通過在管子內壁電極施加電壓使管子整體收縮實現的。管子外壁的另外兩個電極可同時施加相反符號的電壓使管子一側膨脹,相對的另一側收縮,增加掃描範圍,亦可以加上直流偏置電壓,用於調節掃描區域。   

③十字架配合單管型,z方向的運動由處在「十」字型中心的一個壓電陶瓷管完成,x和y掃描電壓以大小相同、符號相反的方式分別加在一對x、-x和y、-y上。這種結構的x-y掃描單元是一種互補結構,可以在一定程度上補償熱漂移的影響。   除了使用壓電陶瓷,還有一些三維掃描控制器使用螺桿、簧片、電機等進行機械調控。

減震系統

 由於儀器工作時針尖與樣品的間距一般小於1nm,同時隧道電流與隧道間隙成指數關係,因此任何微小的震動都會對儀器的穩定性產生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動是震動和衝擊,其中震動隔絕是最主要的。隔絕震動主要從考慮外界震動的頻率與儀器的固有頻率入手。

電子學控制系統

掃描隧道顯微鏡是一個納米級的隨動系統,因此,電子學控制系統也是一個重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計算機控制步進電機的驅動,使探針逼近樣品,進入隧道區,而後要不斷採集隧道電流,在恆電流模式中還要將隧道電流與設定值相比較,再通過反饋系統控制探針的進與退,從而保持隧道電流的穩定。所有這些功能,都是通過電子學控制系統來實現的。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學控制控制系統的框圖

5 掃描隧道顯微鏡 -主要特點

與電子顯微鏡或 X線衍射技術研究生物結構相比,掃描隧道顯微鏡具有以下特點∶

高解析度

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡下的分子
1、掃描隧道顯微鏡具有原子級的空間解析度,其橫向空間解析度為 l Å,縱向解析度達0.1 Å,2、掃描隧,顯微鏡可直接探測樣品的表面結構,可繪出立體三維結構圖像。3、掃描隧道顯微鏡可在真空、常壓、空氣、甚至溶液中探測物質的結構,它的優點是三態(固態、液態和氣態)物質均可進行觀察,而普通電鏡只能觀察製作好的固體標本,由於沒有高能電子束, 對錶面沒有破壞作用(如輻射,熱損傷等)所以能對生理狀態下生物大分子和活細胞膜表面的結構進行研究,樣品不會受到損傷而保持完好。 4、掃描隧道顯微鏡的掃描速度快,獲取數據的時間短,成像也快,有可能開展生命過程的動力學研究。5、不需任何透鏡, 體積小,有人稱之為「口袋顯微鏡」(pocket microscope)。

如前所述,掃描隧道顯微鏡(STM)儀器本身具有的諸多優點,使它在研究物質表面結構、生物樣品及微電子技術等領域中成為很有效的實驗工具。例如生物學家們研究單個的蛋白質分子或DNA分子;材料學家們考察晶體中原子尺度上的缺陷;微電子器件工程師們設計厚度僅為幾十個原子的電路圖等,都可利用掃描隧道顯微(STM)儀器。在掃描隧道顯微鏡(STM)問世之前,這些微觀世界還只能用一些煩瑣的、往往是破壞性的方法來進行觀測。而掃描隧道顯微鏡(STM)則是對樣品表面進行無損探測,避免了使樣品發生變化,也無需使樣品受破壞性的高能輻射作用。另外,任何藉助透鏡來對光或其它輻射進行聚焦的顯微鏡都不可避免的受到一條根本限制:光的衍射現象。由於光的衍射,尺寸小於光波長一半的細節在顯微鏡下將變得模糊。而掃描隧道顯微鏡(STM)則能夠輕而易舉地克服這種限制,因而可獲得原子級的高解析度。

儘管掃描隧道顯微鏡(STM)有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優點,但由於儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現在以下兩個方面:

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡
1、在掃描隧道顯微鏡(STM)的恆電流工作模式下,有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準確探測,與此相關的解析度 較差。圖2摘自對鉑超細粉末的一個研究實例[6]。它形象地顯示了掃描隧道顯微鏡(STM)在這種探測方式上的缺陷。 鉑粒子之間的溝槽被探針掃描過的曲面所蓋,在形貌圖上表現得很窄,而鉑粒子的粒徑卻因此而被增大了。在TEM的觀測中則不會出現這種問題。

在恆高度工作方式下,從原理上這種局限性會有所改善。但只有採用非常尖銳的探針,其針尖半徑應遠小於粒子之間的距離,才能避免這種缺陷。在觀測超細金屬微粒擴散時,這一點顯得尤為重要。

2、掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導電性,對於半導體,觀測的效果就差於導體;對於絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導電層,則由於導電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的解析度。賓尼等人1986年研製成功的AFM可以彌補掃描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。

此外,在常用的(包括商品)掃描隧道顯微鏡(STM)儀器中,一般都沒有配備FIM,因而針尖形狀的不確定性往往會對儀器的解析度和圖象的認證與解釋帶來許多不確定因素。

儘管掃描隧道顯微鏡(STM)問世的時間很短,但經過各國科學家的努力,掃描隧道顯微鏡(STM)技術已得到了迅速的發展,在許多方面顯示出其獨特的優點。相信隨著掃描隧道顯微鏡(STM)理論與技術的日臻完善,掃描隧道顯微鏡(STM)及其相關技術必將在人類認識微觀世界的進程中發揮越來越大的作用。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡
這些新型顯微鏡的發明為探索物質表面或界面的特性,如表面不同部位的磁場、靜電場、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴大可測量樣品的範圍等方面提供了有力的工具。在把STM與AFM、FIM、LEED等其他表面分 析手段聯用方面,也取得了可喜的進展。最小的STM僅為1000mm× 200mm×8mm,最大的掃描範圍可達100μm。已召開了十幾次STM國際會議,1993年8月在北京召開了第七屆STM國際會議,有中國科學院化學所、清華大學等單位參加。中國科學院化學所白春禮課題組於1988年初研製成功計算機控制的STM,該儀器由STM主體、控制電路、計算機、高分辨圖形顯示終端等部分組成。具有恆定高度、恆定電流兩種掃描模式,提供有STM形貌圖、I-V曲線、局域勢壘高度測量等功能。儀器水平解析度<1?,垂直解析度<0.1?,掃描範圍1nm×1nm~4.5μm×4.5μm。

6 掃描隧道顯微鏡 -應用範圍

掃描隧道顯微鏡不但使得人們的視野可直接觀察到物質表面的原子及其結構並進而分析物質表面的化學和物理性質,它還使得人們可以在納米尺度上對材料進行加工處理,甚至可以操縱單個原子。這一特定的應用將會使人類從微米尺度的加工技術跨入到納米尺度和原子尺度,成為未來器件加工(納米分子學)和分子切割(納米生物學)的一個重要手段。

掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡下的原子
單原子操縱主要包括三個部分,即單原子的移動、提取和放置。這些技術也是應用單原子操縱在表面上進行原子尺度的結構甚至器件加工所必須的,使用STM進行單原子操縱的較為普遍的方法是在針尖和樣品表面之間施加一適當幅值和寬度的電壓脈衝,一般為數伏電壓和數十毫秒寬度。由於針尖和樣品之間的距離非常接近,僅為0.3~1.0nm,因此在電壓脈衝的作用下,將會在針尖和樣品之間產生一個強度在109~1010V/m數量級的強大電場。這樣,表面上的吸附原子將會在強電場的蒸發下被移動或提取,並在表面上留下原子空穴,實現單原子的移動和提取操縱。同樣,吸附在SIM針尖上的原子也有可能在強電場的蒸發下而沉積到樣品的表面上,實現單原子的放置操縱。掌握好這種單原子操縱的電場蒸發機理就可以按照人們所期望的規律移動,提取和放置原子,實現單原子的可控操縱。
掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡下的單個原子
利用STM進行原子表面修飾和單原子操縱,它使得原子尺度器件的應用成為可能,因而具有十分廣泛的應用前景。它已經在製作單分子、單原子和單電子器件,大幅度提高信息存儲量,生命科學中的物種再造以及材料科學中的新原子結構材料的創製等領域中都有很深刻的應用背景。例如運用單原子操縱可以用來實現兩種不同方式的單原子存儲器。二種是用表面上單原子的空穴作為一個比特來存儲信息。在單原子操縱中從表面上移走單個原子而在表面上加工出單原子空穴的結果可以用來寫入信息;用單原於修補表面缺陷則既可以用來刪除已寫入的信息又可以用來清除表面上原有的原子缺陷空穴所形成的信息噪音。另一種是用放置到表面上的單個原子作為一個比特來存儲信息。在單原子操縱中向表面放置單個原子的結果用來寫入信息,而施加原子后再移走的結果則既可以用來刪除被寫入的信息又可以用來清除沉積在表面吸附原子上面的原於所形 成的信息噪音。如果能用單個原子作為一個比特來存諸信息,其儲存容量相當大。計算表明,一塊面積為1cm2的Si(111)-7×7表面將可以存儲約1015比特的信息,是1.3MB磁碟存儲器的存儲量的7億6 900萬倍.這是無法想象的超級容量。

掃描隧道顯微鏡的出現為人類認識和改造微觀世界提供了一個極其重要的新型工具。隨著實驗技術的不斷完善,掃描隧道顯微鏡將在單原子操縱和納米技術等諸多研究領域中得到越來越廣泛的應用。掃描隧道顯微鏡在納米技術中的應用必將極大地促進納米技術不斷發展。21世紀科學的發展中,掃描隧道顯微鏡將滲透到表面科學、材料科學、生命科學等各個科學技術領域中。

上一篇[UFO機場]    下一篇 [馬丁·路德·金]

相關評論

同義詞:暫無同義詞