扫描隧道显微镜及其发展现状曹文峰2012110024(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)摘要:扫描隧道显微镜(ＳＴＭ)在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着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。此文介绍了扫描隧道显微镜的理论原理与系统结构,以及近年来这一前沿科技领域的部分进展和应用前景。关键词：扫描隧道显微镜;隧道效应;纳米技术Abstract:Thestudyofscanningtunnelingmicroscopy(STM)hasquiteimportantsignificanceandbroadprospectsinfieldssuchassurfacescience,materialscienceandlifescience.STMhasnowbeenconsideredasoneoftheworld'stoptentechnologyachievementsinthe80sbytheinternationalscientificcommunity.FirstlythisarticleintroducestheprincipletheoryandsystemstructureoftheSTM.Finallytheapplicationandfurtherdevelopmentprospectsforthepastyearsaregiven.Keywords：Scanningtunnelingmicroscopy;Tunnelingeffect;Nanotechnology0引言扫描隧道显微镜（STM）是20世纪80年代初发展起来的一种新型显微表面研究新技术，其核心思想是利用探针尖端与物质表面原子间的不同种类的局域相互作用来测量表面原子结构和电子结构。1981年在IBM公司瑞士苏黎世实验室工作的G。宾尼希（G。Binning）和H。罗雷尔（H。Rohrer）利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图象。这一发明使显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用。为此G。宾尼希和H。罗雷尔于1986年被授予诺贝尔物理奖。1STM的工作原理根据量子理论中的隧道效应，电子有几率穿过势垒，而形成隧道电流。扫描隧道显微镜（STM）就是利用这一原理制成的。将被研究的导体物质表面和探针作为两个电极，当样品与针尖的距离介于1nm左右时，在外加电压的作用下，电子会穿过这个因为距离形成的势垒而向另一端运动，形成隧道电流I。这个电流满足如下关系：其中，K、l是常数；V是施加在探针和样品之间的电压；是探针和样品的平均功函数，它和探针、样品的材料功函数有关；S是探针和样品间的距离。通过对上式的分析可以发现，对于确定的探针和样品，它们的平均功函数是一个定值，那么隧道电流I是电压V和距离S的一个函数。探针和样品表面的距离S对隧道电流的影响是很明显的；因为它是一个指数函数，即使是距离S的一个微小变化，电流却将变化一个甚至几个数量级。因此，保持电压V的恒定；利用压电陶瓷材料，控制针尖在样品表面X-Y方向的扫描；通过步进电机，控制探针和样品表面间的距离S（1nm左右），使探针位于样品表面某一个高度上；通过微机记录不同时刻的电流，并且按照电流的强弱，用不同的颜色加以区分（大电流用浅色表示，小电流用深色表示）。如图1所示，给压电陶瓷施加一个偏向电压，压电陶瓷将带动探针在样品表面沿X方向（或Y方向）做微小定向移动。当移动的探针遇到原子时，探针和样品间的距离S减小，电流I明显增加；当移动的探针位于相邻原子的间隙时，探针和样品间的距离S增加，电流I明显减小。最后，随着探针在样品表面的逐行的扫描，微机会将探针在不同位置时的电流记录下来，并用不同的颜色加以区分。这样，我们就得到了一张反映样品表面的不同位置，不同颜色的图像。而这个图像恰恰反映了样品表面的微观结构,通过这个图像，我们可以得到样品表面原子状态的有关信息。图1原理示意图2STM的系统结构STM仪器一般由STM头部（含探针和样品台）、三维扫描控制器、电子学控制系统、减震系统和在线扫描控制及离线数据处理软件等组成。系统结构如图3所示：图3STM系统结构图探针针尖的结构是扫描隧道显微技术要解决的主要问题之一。针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图像的分辨率和图像的形状，而且也影响着测定的电子态。如果针尖的尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，那么隧道电流就会很稳定，而且能够获得原子级分辨率的图像。目前制备针尖的方法主要有电化学腐蚀法（金属钨丝）、机械成型法（铂一铱合金丝）等。三...