扫描隧道电子显微镜.docx

扫描隧道电子显微镜
编辑锁定
本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。
扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope,STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应,将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。
中文名
扫描隧道电子显微镜
外文名
scanning tunneling microscop
简    称
STM
发明者
格尔德·宾宁
目录
1 定义
2 背景
3 发展
4 原理
5 工作方式
▪恒流模式
▪恒高模式
6 应用
7 展望
定义编辑
扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope,STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应,将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中,原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用,表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁,由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。
背景编辑
透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的,但在表面结构的分析上却
较困难,这是因为透射电子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的,反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜(SEM)虽然能揭示一定的表面情况,但由于入射电子总具有一定能量,会穿入样品内部, 因此分析的所谓“表面”总在一定深度上,而且分辫率也受到很大限制。场发射电子显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)虽然能很好地用于表面研究,但是样品必须特殊制备,只能置于很细的针尖上,并且样品还需能承受高强电场,这样就使它的应用范围受到了限制。
扫描隧道电子显微镜(STM)的工作原理完全不同,它不是通过电子束作用于样品(如透射和扫描电子显微镜)来获得关于样品物质的信息,也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流成象(如场发射电子显微镜),并以此来研究样品物质,它是通过探测样品表面的隧道电流来成象,从而对样品表面进行研究。
发展编辑
它于1981年由格尔德·宾宁(Gerd )及亨利希·罗勒(Heinrich Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具,扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子,它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子,因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。
原理编辑
扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理,通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。
由于电子的隧道效应,金属中的电子并不完全局限在表面边界之内,即电子的密度并不在表面边界突然降为零,而是在表面以外呈指数衰减;衰减长度约为 1nm,它是电
子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近,它们的电子云就可能发生重叠;如果在两金属间加一微小电压,那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)。
工作方式编辑
尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下述三个主要部分:驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的机械系统(镜体),用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方式:恒流模式、恒高模式。
恒流模式
利用一套电子反馈线路控制隧道电流,使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,即是使针尖沿 x、y 两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动,高度的信息也就由
此反映出来。这就是说,扫描隧道电子显微镜得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图像信息全面,显微图象质量高,应用广泛。
恒高模式
在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化,隧道电流 I 的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化,并转换成图像信号显示出来,,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。
应用编辑
隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流。金属体内存在大量"自由"电子,这些"自由"电子在金属体内的能量分布集中于费米能级附近,而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此,从经典物理学来看,在金属内的
"自由"电子,只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内