大学物理实验：扫描隧穿显微镜

1981年，宾尼格和罗赫尔利用隧道效应研制成功扫描隧穿显微镜（STM），它可以很精确地观测材料的表面结构。

STM的特点是不用光源也不用透镜。它的显微部分的核心是一枚细而尖的金属（如钨）探针，针尖的大小接近原子的尺寸。若在针尖与被测表面之间加一微小的直流电压，当两者间距很接近（零点几纳米）时，由于隧道效应而产生隧道电流。由量子理论知，这一电流随针尖与表面间距的增大而呈指数下降。在典型情况下，间距每增加0.1nm，电流下降一个数量级，由此可见STM的精度是非常高的。图10—4为STM的示意图。

图10—4　STM示意图

使用STM观测样品的表面结构时，先将探针推向样品，在探针和样品间加上电压。当探针在样品表面扫描时，若样品表面有起伏，隧道电流将随之变化，若通过STM的反馈机构控制探针的运动，保持隧道电流不变，即探针与样品表面之间的实际距离保持不变，则探针的运动轨迹就是样品表面的形貌。将这些数据输送到计算机中，在计算机屏幕上便可显示出样品表面的三维图像。

如图10—5所示为STM的工作原理图。计算机显示的图像和实际尺寸相比可放大到1亿倍，因而用STM可观察微生物体DNA和病毒，它是研究表面科学、材料科学、生命科学和微电子学等的重要显微工具。(www.xing528.com)

图10—5　STM的工作原理计算机屏幕

STM的分辨率远远高于光学显微镜和电子显微镜。其纵向最小分辨间距已达0.005nm，横向最小分辨间距已达0.2nm，而光学显微镜的最小分辨间距仅为200～380nm，电子显微镜的最小分辨间距一般为几纳米，最高也只能达到零点几纳米。另外，STM与光学显微镜和电子显微镜不同，它不需要任何光学透镜和电子透镜，因此它不存在难以消除的像差、球差和色差。

但是，STM也有它的局限性。由于STM工作是依靠针尖与样品间的隧道电流，因此只能测导体和半导体的表面结构，对不导电的材料就无能为力了。另外，STM的图像不能提供样品的化学成分，必须借助其他分析手段才能获得。