扫描隧道显微镜

22.1.1 STM原理和工作模式

STM获得的样品表面原子级扫描图像是与隧道电流的性质相关的。根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度不是在表面边界处突变为零，而在金属表面以外的一段距离内，仍然会有部分的电子云存在，但在表面之外的电子云密度随距离的增加呈指数快速衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与样品的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近（通常距离小于1nm）时，两者的电子云稍有重叠。若在两极间加上电压U，在电场的作用下，电子就会穿过电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一个电极流向另一个电极，形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。

就STM而言，电子有可能从针尖流向样品表面或从样品表面流向针尖（流向是根据两边所加电压的不同所决定的）。针尖—样品之间的障碍是空气、真空或液体介质，通过检测隧道电流（I）的大小可以精确控制针尖-样品间的距离（d）：

I=KUe-kd（22-1）

式中，U为针尖与样品间的电压；K和k为常数。由式（22-1）可知，隧道电流对针尖与样品的距离非常敏感，如果d减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级，如图22-1所示。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也会通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上显示出样品的表面形貌。

图22-1 STM的隧道电流（I）随针尖距离（d）的指数变化关系

STM有两种基本的工作模式：恒流模式和恒高模式，如图22-2所示。

（1）恒流模式，如图22-2（a）所示。恒流模式是利用一套电子反馈线路控制隧道电流I，使其保持恒定，然后通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，也就是使针尖沿x，y方向做二维运动。由于要控制隧道电流不变，必须保证针尖与样品的间距（d）不变，因此针尖需要随样品表面的高低起伏而做相同的起伏运动，高度（z方向）的信息由此反映出来。利用计算机实时读取反馈电路中的高度值，将其处理成不同灰度等级的图像或彩色图像显示在计算机屏幕上。由于x，y，z三轴的数据都可以取得，因此可通过软件获得样品表面的三维形貌图。图22-3显示出STM在恒流模式下Si（111）面的STM像，从图中可以清楚地看见Si原子的排列。恒流模式的优点是可以适应表面较大起伏的样品，获取的图像信息全面，显示出的图像质量高；缺点是扫描过程必须由反馈电路来调制，扫描速度较慢，容易受低频信号的干扰。

（2）恒高模式，如图22-2（b）所示。在恒高模式中，探针以设定的高度扫描样品表面，由于表面高低变化，导致探针与样品表面间距发生变化，隧道电流随之变化。即使表面只有原子尺度的起伏，也会导致隧道电流非常显著的变化，这样就可以通过测量电流的变化来反映表面原子尺度的起伏。该方法是通过测量隧道电流值的大小来成像的，无需反馈电路控制，所以可以实现对样品表面的快速扫描，因而能够捕捉到表面的一些动态变化。该方法的缺点是扫描范围内的样品表面起伏不能太大，否则很容易造成样品或探针的损坏。因此，恒高模式比恒流模式较少运用。

图22-2 STM两种工作模式的原理

（a）恒流扫描模式；（b）恒高扫描模式

（图中横坐标为平面扫描间距，纵坐标的z和I分别表示探针高度和隧道电流）

22.1.2 STM系统的组成

如图22-4所示，扫描隧道显微镜的系统组成主要包括四大部分：（a）探针扫描系统；（b）电流检测与反馈系统；（c）数据处理与显示系统；（d）振动隔离系统（图中未显示）。

1）探针扫描系统

扫描探针显微镜（SPM）的技术核心在于它具有极高的可控空间定位精度（优于0.1nm量级），因而使得它不但具有极高的分辨率（可达原子级分辨），而且具有极高的操纵和加工精度（可实现单原子操纵）。而STM又是SPM家族中精度最高的，因此精确的定位装置是必不可少的。

图22-3 Si（111）面的STM像

目前，实现针尖在样品表面上精确扫描的装置主要是压电陶瓷探针架和压电陶瓷样品台，如图22-5所示。用于STM的压电材料是各种错钛酸铅陶瓷（PZT）。PZT压电陶瓷能简单地将1～1000m V的电压信号转换成十几分之一纳米到几微米的机械位移，完全可以满足STM三维扫描控制精度的要求。常用的STM针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上。支架Lx，Ly，Lz分别控制x，y，z方向上的运动。在Lx，Ly上施加电压，就可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流I，并以此反馈控制施加在支架Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。

STM拥有原子级的超高空间分辨率，与STM针尖的几何形状密切相关。STM针尖的形状、大小和化学纯度直接影响样品与针尖的隧道电流，从而影响STM图像的质量和分辨率。由于隧道电流与距离成指数依赖关系，因此对成像起作用的实际上只是针尖最尖端的原子或原子簇。如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子（相当大的概率），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。若在尖端出现几个原子或原子簇，就会降低图像的原子级的分辨率。

钨丝比较坚硬，一般采用电化学腐蚀方法形成极细的针尖。该方法可以得到尖端半径

0.1μm以下且重现性很好的钨针尖。实际上，电化学腐蚀法是制备钨针尖的最常用的方法，根据所加的电势又细分为交流法、直流法和交直流公用法。交流法制备的针尖呈圆锥体形状，锥度角比直流法制作的针尖大；直流法制成的针尖呈双曲线形，更尖锐，适合于STM高分辨率的观察；交直流公用法一般先采用直流，后采用交流的方法，直流是为了控制针尖大致形状，由于交流法腐蚀速度较慢，故常用于最后阶段，以易于控制针尖的形成。

图22-4 STM系统的组成

（a）探针扫描系统；（b）电流检测与反馈系统；（c）数据处理与显示系统

图22-5 压电陶瓷的构件

（a）探针架；（b）样品台

2）电流检测与反馈系统

STM需要一个能检测隧道电流的电流检测系统和反馈隧道电流信息的反馈系统。针尖—样品之间的隧道电流经信号放大后，进入计算机的处理系统，计算机的处理软件将设定的隧道电流与检测的电流进行比较，再根据比较的结果向反馈回路发出调整针尖—样品间距离的信号。借助于反馈回路对压电陶瓷伸缩进行调整，以此实现隧道电流的恒定。例如，当检测的隧道电流小于设定的值，则反馈回路通过调节压电陶瓷两端的电压使其伸长，减小针尖-样品间距，从而使隧道电流恢复至设定的值时。反之，当检测的隧道电流大于设定的值时，则反馈回路通过调节压电陶瓷两端的电压使其收缩，增大针尖—样品间距，从而使隧道电流恢复至设定的值。这些调整被计算机记录下来并经STM软件处理后以图像的形式显示出来，这种成像模式被称为“恒流”模式，如图22-2（a）所示。另外，对于非常平滑的样品表面，可以用“恒高”的扫描模式，即在关闭反馈回路的情况下，探针以恒定的高度扫描样品的表面，通过记录隧道电流的变化来显示表面图像，如图22-2（b）所示。

3）数据处理与显示系统

STM的数据处理主要由各个公司设计开发的专用数据处理与控制软件来完成。在STM的扫描过程中，专用数据处理与控制软件可以根据使用者的需要，将放大几万倍甚至几百万倍的样品表面形貌同步地显示在计算机的屏幕上。精确计算STM的放大倍率是十分必要的。STM的放大倍率是指在计算机屏幕上显示的物体尺寸与实际物体尺寸之比。例如，当STM的扫描范围为20nm×20nm，而在计算机屏幕上显示的大小为50mm×50mm时，则放大倍率为50mm／20nm=2.5×106。

4）振动隔离系统

STM仪器不可避免要受到来自地面或空气传递的振动。如上所述，针尖与样品表面间距的极小变化将会显著改变隧道电流，外来的各种振动都会影响针尖与样品表面间距的变化。对于许多材料，尤其是金属，在恒流模式下STM图像的原子级的起伏幅度约为0.01nm，所以外来振动的干扰必须降低到0.001nm以下。STM实验需考虑的主要振动源有：建筑物振动（10～100Hz），通风管道、变压器和马达（6～65Hz）、人走动（1～3Hz）等，还需考虑偶然因素引起的冲击。STM减振系统的设计主要考虑1～100Hz的振动。振动隔离问题就是设计一个专门的装置使传递到STM仪器的振动减弱至不影响测量精度。振动隔离的方法是提高仪器的固有振动频率和使用振动阻尼系统，悬挂弹簧是最常用的振动隔离方法。