扫描隧道显微镜的原理|特点

　　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。

扫描隧道显微镜的原理

　　1、量子隧穿效应

　　根据经典力学的理论，如果一个势垒高于电子的能量，那么这个电子无法越过此势垒。然而在量子力学中，由于电子具有波粒二象性，该电子具有一定的可能性穿过这个势垒，这个现象被称为量子隧穿效应。

　　扫描隧道显微镜则利用遂穿效应，当样品表面和针尖之间的距离小于1nm时，样品表面电子云和针尖的电子云会有一部分重合，此时若在它们之间施加电压，那么在针尖和材料表面之间会产生电流，这就是隧道电流。隧道电流的大小与针尖到样品表面的距离呈指数关系，当针尖与样品表面的距离发生一个微小的变化时，隧道电流的强度会产生几个数量级的变化，从而实现扫描隧道显微镜超高的原子级分辨率。

　　2、压电效应

　　为了实现扫描隧道显微镜原子级的高分辨率，需要对探针的位置和探针到样品的距离进行精确的控制，这就利用到了压电效应。压电效应是指当对压电材料的两端施加一个电压时，此材料会发生相应的形变。扫描隧道显微镜利用该原理，对压电陶瓷两端施加不同的电压，使陶瓷发生形变，从而实现对针尖位置的精确控制和改变。

扫描隧道显微镜的工作模式

　　隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

　　扫描隧道显微镜的基本成像方式有恒高模式和恒流模式两种。如果样品的表面功函数相同，则这两种基本模式可以反映真实的样品形貌。而实际测量的多数样品都是由不同化学组分构成的，这时因为不同部位表面功函数不相同，扫描隧道显微镜基本测量模式不能得到样品的真实形貌。为消除表面功函数差异引起的测量误差，得到更多的样品表面信息，衍生出了扫描隧道谱和功函数成像模式。

　　1、恒高模式

　　恒高模式是指扫描隧道显微镜在扫描样品表面过程中，扫描头z方向(垂直方向)电压不变，保持探针水平高度恒定。恒高模式不需要使用反馈系统，扫描成像速度快，适用于观察动态过程(如化学反应、原子迁移等)。但是，由于扫描隧道显微镜对探针-样品间距的变化十分敏感，故若样品表面起伏较大或者样品倾斜，则会严重干扰恒高成像模式，造成成像数据不准确或者探针碰撞损毁。

　　2、恒流模式

　　恒流模式即是隧道电流恒定模式，在反馈系统的协助下，通过调节扫描头方向电压，控制探针-样品间距，在扫描过程中维持隧道电流恒定在预设值。由于隧道电流大小不变，所以，恒流模式在一定程度上是保持探针-样品之间具有一定的距离，扫描隧道显微镜探针在扫描过程中会随着样品的起伏而调整高度。恒流模式在扫描过程中对探针具有一定的保护作用，适合测量表面粗糙度较大的样品。

　　恒流模式利用反馈系统调节扫描头z方向电压，通过测量z方向电压的改变得到样品表面形貌图像。正是因为有反馈系统的介入，恒流模式的扫描速度受到反馈时间的限制。如果反馈时间过长，扫描速度很低，这时扫描隧道显微镜系统的机械热力学漂移会对成像准确性造成很大的干扰;如果反馈时间太短，扫描速度相对较快，但是调节探针-样品间距的时间过短，反馈系统来不及将隧道电流调节到预设值，得到的图像实际上并不是真正的恒流模式图像。

扫描隧道显微镜的特点

　　扫描隧道显微镜主要有以下特点：

　　①扫描隧道显微镜在空间分辨上具有原子级的分辨率;

　　②扫描隧道显微镜可以在大气和溶液环境中使用，而其他几种具有相同分辨率的显微技术(如TEM、SEM、FIM等)只能在高或超高真空环境中使用;

　　③扫描隧道显微镜对样品不会造成破坏。

　　但是由于它的工作原理，还有下列的不足之处：

　　①在恒流模式下，扫描隧道显微镜对于间距较小的原子无法进行较为准确的分辨，测量的原子大小比实际原子大小要大;

　　②由于扫描隧道显微镜的空间分辨依赖于隧道电流的变化，所以样品表面必须可以导电。对于绝缘材料表面需镀上导电材料或者压上导电电极。但是导电膜可能会遮盖原样品表面微小的细节，这使得扫描隧道显微镜不易实现对原材料本身对原子级分辨。