扫描隧道显微镜的原理及应用

扫描隧道显微镜的原理及应用

魏洪修*

长沙理工大学物理与电子科学学院

Abstract

Thescanningtunnelingmicroscope(STM)isanimportantmicroscopictoolforresearchingsurfacephysicsandmicroscopicstructureofmaterial.AndSTMisnotonlyusedasobservingmachine,alsoasatooltocontrolatoms.ThispaperintroducesthetheoreticalprinciplesandbasicmodeofoperationofSTM,analysescomponentofSTM,andelaborateshowtousetheSTMtoresearchthesurfaceofgraphite.ItcanmakereadersunderstandthetheoreticalprinciplesandoperationalmethodofSTM.

KeywordsSTM,Surfacestructure

摘要

扫描隧道显微镜是研究表面物理以及微观物质结构的重要显微工具，然而扫描隧道显微镜不仅仅是一种观察手段，而且也是一个操纵原子的工具。本文将介绍扫描隧道显微镜的理论原理以及基本工作模式，分析扫描隧道显微镜的组成部分，并使用扫描隧道显微镜研究石墨表面。使读者能够理解扫描隧道显微镜的理论原理以及操作方法。

关键词扫描隧道显微镜表面结构

一引言

20世纪80年代初，IBM苏黎世实验室的科学家宾尼（GerdBinnig）和罗雷尔（H.Rohrer）巧妙地利用量子力学中的隧道效应（tunneleffect，也称势垒贯穿）共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope，简写为STM），两人因此于1986年荣获诺贝尔物理学奖。宾尼和罗雷尔在STM的实验中发现，探针的针尖偶尔也会拣起一个原子，IBM加利福尼亚阿尔马登研究中心的埃哈德·施外泽

（ErhardSchweizer）最早利用STM这种移动电子的能力把原子排列成了“IBM”字样。STM的发明标志着人类进入了直接观察原子、操纵原子的时代，标志着在原子核分子水平根据人们的意愿设计、装饰、加工、创造新的物质结构与特性成为可能。

扫描隧道显微镜（STM）与其他高分辨显微镜（如透射电子显微镜<transmission

electronmicroscope，简写为TEM>和场离子显微镜<fieldionmicroscope，简写为FIM>）相比有诸多显著优势：

1STM具有更佳的分辨率，平行和垂直于样品表面的分辨率分别可达到0.1nm和0.01nm；○

2STM使用环境更宽松，不必像TEM和FIM那样需要高真空条件，可在溶液、大气中对样○

品实现直接观测，有利于对表面反应、扩散运动等动态过程的研究；

3STM还具有价格低、样品制备容易且操作简单等优点。○

二理论原理

众所周知，在经典力学中，当一个粒子的能量E低于前方势垒的高度U0时，粒子将完全

被弹回，它便不可能越过此势垒，即透射系数等于零。而在量子力学中，对于被观察的微观粒子在一般情况下，粒子能够穿透能量比粒子能量更高的势垒，其透射系数不等于零，这一*魏洪修（1989—），男，山东文登人。邮箱：danninggewu@163.com