《大学物理》课程教学资源（文献资料）扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜 纳米科学技术（简称Nano ST)是1990年才正式诞生的一门具有广阔前景的新技术，是 在0.1~100m尺度空间内研究电子、原子、分子特性和技术应用的高科技学科。它的最终 目标是人类按自己的意志直接操纵单个原子或分子，制造具有特定功能的产品。 纳米科学技术起源于1981年美国IBM公司、瑞士苏黎世研究实验室的宾尼格(G.Binnig) 和罗赫尔(H.Rohrer)发明的扫描隧道显微镜（简称STW),在技术上实现了对单个原子的控制 与操作。为此，他们与显微镜发明人蜀斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。 扫描隧道显微镜工作原理

纳米科学技术(简称 Nano ST)是 1990 年才正式诞生的一门具有广阔前景的新技术，是 在 0.1～100nm 尺度空间内研究电子、原子、分子特性和技术应用的高科技学科。它的最终 目标是人类按自己的意志直接操纵单个原子或分子，制造具有特定功能的产品。 纳米科学技术起源于 1981 年美国 IBM 公司、瑞士苏黎世研究实验室的宾尼格(G．Binnig) 和罗赫尔(H．Rohrer)发明的扫描隧道显微镜(简称 STM)，在技术上实现了对单个原子的控制 与操作。为此，他们与显微镜发明人蜀斯卡分享了 1986 年诺贝尔物理学奖

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。 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， 电子云密度并不是在表面边界处突变为零。 在金属表面以外，电子云密度呈指数衰诚， 衰减长度约为lnm。用一个极细的、只有原 子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究 物质（称为样品）的表面作为两个电极，当样 品表面与针尖非常靠近（距离

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。 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， 电子云密度并不是在表面边界处突变为零。 在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减， 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，将它与被研究 物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样 品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两 者的电子云略有重叠，如图 1 所示。若在两 极间加上电压 U，在电场作用下，电子就会 穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流 I 的大小与针尖和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度 有关，其 关系为 ，式中 A 为常量。 如果 s 以 nm 为单位， 以 eV 为单位，则在真 空条件下，A ≈1， 。 由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小 0.1nm， 隧道电流就会增加一个数量级。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，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的 表面形貌。 一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件 和数据处理软件)三大部分组成。扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针 尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。 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， Lx、Ly、Lz 分别控制 针尖在 x、y、z 方向上的运动。在 Lx、Ly 上施加电压，便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 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有两种工作方式。一种称为恒电流模式。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， 因而针尖就会随若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，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面， 显微图象质量高，应用广泛。 另一种工作模式是恒高度工作。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s将发生变化，隧道电流【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STM显微图像。这种工 作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一（如由同一种原子组成）的情形。从STM 的工作原理可以看到：SM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微 图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜“的原因。 扫描隧道显微镜技术应用 由于SM所具有的原子级高分辨率等显著优点，以及结构小巧、操作方便等特点，而 产生了深远的影响。SW引发了一系列新的科学技术，纳米电子学、纳米材料学、纳米显微 学、表面科学、纳米生物学、纳米机根学.等，SM已成为纳米科学技术的主要工具。下 面仅以两例加以说明 1.纳米电子学 制造大规模和超大规模集成电路，要求进一步缩小器件的尺寸，而100m被认为是微电 子技术发展的极限：纳米电子学则是开发研究结构尺寸为纳米级的器件和电子设备的一门科 学，是纳米科学技术重要的技术新领域。 纳米器件（也称量子器件）是利用电子的量子效应原理制作的器件，其工作原理主要基于 电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涤落等特 性。工艺上即是实施制作厚度和宽度都只有几到几十纳米的微小导电区域（称为势阱）。若干 个这种纳米级导电区相互靠近，导电区域之间形成薄薄的势垒区。由于隧道效应，电子可以 从某一势阱穿越势垒进入另一势阱。电子受激励时发生能级跃迁，在向低能级返回时便发出

STM 有两种工作方式。一种称为恒电流模式。利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ， 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 I 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，STM 得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面， 显微图象质量高，应用广泛。 另一种工作模式是恒高度工作。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 s 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 STM 显微图像。这种工 作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从 STM 的工作原理可以看到：STM 工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微 图像，而不需要光源和透镜。这正是得名"扫描隧道显微镜"的原因。 由于 STM 所具有的原子级高分辨率等显著优点，以及结构小巧、操作方便等特点，而 产生了深远的影响。STM 引发了一系列新的科学技术，纳米电子学、纳米材料学、纳米显微 学、表面科学、纳米生物学、纳米机械学.等, STM 已成为纳米科学技术的主要工具。下 面仅以两例加以说明。 1. 纳米电子学 制造大规模和超大规模集成电路，要求进一步缩小器件的尺寸，而 100nm 被认为是微电 子技术发展的极限；纳米电子学则是开发研究结构尺寸为纳米级的器件和电子设备的一门科 学，是纳米科学技术重要的技术新领域。 纳米器件(也称量子器件)是利用电子的量子效应原理制作的器件，其工作原理主要基于 电子的波动性、电子的量子隧道效应、电子能级的不连续性、量子尺寸效应和统计涨落等特 性。工艺上即是实施制作厚度和宽度都只有几到几十纳米的微小导电区域(称为势阱)。若干 个这种纳米级导电区相互靠近，导电区域之间形成薄薄的势垒区。由于隧道效应，电子可以 从某一势阱穿越势垒进入另一势阱。电子受激励时发生能级跃迁，在向低能级返回时便发出

一定颜色的光。纳米电子技术将有效地应用电子的这些量子效应。在纳米器件中，最有特色 的是单电子器件。 +V/2 -V/2 库仑岛 RiC1 RiC2 图10单电子晶体管结构 单电子器件的典型结构是纳米粒子，其电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子 点。若处于量子点内的电子能量高于热起伏，就可以检测到单电子隧道效应。如单电子品体 管就是将一个微结构用隧道结与金属导线弱连结起来形成的电子器件。这种器件的主要电荷 迁移机制就是非连续的单电子隧道效应。图10示意地说明了单电子晶体管的构造，其中阴 影线部分代表连接库仑岛与金属导线的隧道结， 一般面积为0×80m2。整个器件的工作 原理类似于普通的场效应品体管，但它比通常使用的场效应品休管对电荷的灵敏度高6倍， 可以利用这个性质制成高精度电流计。 如果能以一个单电子编译一个比特(6t,电脑存贮单位)，那么其信息的储存量会大大增 加。目前市场上销告芯片的元件密度为06b地cm2,实验研制的为108dcm2.当功能元 件的尺寸为纳米级时，其密度将达到1012b城cm 。这就是纳米器件的集成度。按IBM公 司给出的数据推算，在这个集成度下，现今的一块计算机用3.5”大小的盘可存入500万本 图书。可以预言，单电子晶体管将发展成为未来数字电脑的标准部件，纳米器件的集成电路 将有惊人的功能，会产生质的飞跃。 2.纳米生物学 纳米生物学的主要内容是在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构与生物大分子功能 的联系：在纳米尺度上获取生命信总，利用STM获得细胞膜和细胞器表面的结构信息：进行

一定颜色的光。纳米电子技术将有效地应用电子的这些量子效应。在纳米器件中，最有特色 的是单电子器件。 单电子器件的典型结构是纳米粒子，其电子结构特点是一个势阱内具有分立能级的量子 点。若处于量子点内的电子能量高于热起伏，就可以检测到单电子隧道效应。如单电子晶体 管就是将一个微结构用隧道结与金属导线弱连结起来形成的电子器件。这种器件的主要电荷 迁移机制就是非连续的单电子隧道效应。图 10 示意地说明了单电子晶体管的构造，其中阴 影线部分代表连接库仑岛与金属导线的隧道结，一般面积为 。整个器件的工作 原理类似于普通的场效应晶体管，但它比通常使用的场效应晶体管对电荷的灵敏度高 6 倍， 可以利用这个性质制成高精度电流计。 如果能以一个单电子编译一个比特(bit,电脑存贮单位)，那么其信息的储存量会大大增 加。目前市场上销售芯片的元件密度为 ，实验研制的为 。当功能元 件的尺寸为纳米级时，其密度将达到 。这就是纳米器件的集成度。按 IBM 公 司给出的数据推算，在这个集成度下，现今的一块计算机用 3.5″大小的盘可存入 500 万本 图书。可以预言，单电子晶体管将发展成为未来数字电脑的标准部件，纳米器件的集成电路 将有惊人的功能，会产生质的飞跃。 2．纳米生物学 纳米生物学的主要内容是在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构与生物大分子功能 的联系；在纳米尺度上获取生命信息，利用 STM 获得细胞膜和细胞器表面的结构信息；进行

纳米机器人的研制。目前生物学在基因工程及分子生物学方面己取得了重大成就。在这个基 础上，纳米生物学提出在分子水平上对微生物、植物及动物等不同种属之间的基础进行随意 的剪切拼接的设想。 图11移动硅原子构成的文字 人类将按要自己的意志将不同的种属个体的基因任意重组传递，设计合成新的蛋白质 制造出新的物种。事实上，基因工程技术培养出的能生产人工胰岛素和抗体的转基因植物己 经是这一设想成为现实的前奏。纳米生物学中最具诱惑力的是研制可编程的分子机器人，也 称纳米机器人。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的 结合体。这种机器人可以注入人体血管内，可进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清 除心脏动脉脂肪淀积物，吞噶病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装 配成的具有特定功能的纳米尺度分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是 种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成10亿 次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。 事实上，纳米生物学和纳米电子学是相辅相成的，纳米计算机是它们交叉共存的新技术。 由于纳米技术能够提供一种神奇的拨动原子的能力，因而经过专门设计的用于传递信总的分 子可以引入只有细胞那么大的纳米计算机中。试想，如果将存储了人类全部知识的钠米计算 机安放在人脑中，则它们将像所有神经元那样代替人的思维。可见，纳米生物学展示了诱人 的发展前景

纳米机器人的研制。目前生物学在基因工程及分子生物学方面已取得了重大成就。在这个基 础上，纳米生物学提出在分子水平上对微生物、植物及动物等不同种属之间的基础进行随意 的剪切拼接的设想。 人类将按要自己的意志将不同的种属个体的基因任意重组传递，设计合成新的蛋白质， 制造出新的物种。事实上，基因工程技术培养出的能生产人工胰岛素和抗体的转基因植物已 经是这一设想成为现实的前奏。纳米生物学中最具诱惑力的是研制可编程的分子机器人，也 称纳米机器人。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的 结合体。这种机器人可以注入人体血管内，可进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清 除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装 配成的具有特定功能的纳米尺度分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是一 种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在 1 秒钟内完成 10 亿 次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。 事实上，纳米生物学和纳米电子学是相辅相成的，纳米计算机是它们交叉共存的新技术。 由于纳米技术能够提供一种神奇的拨动原子的能力，因而经过专门设计的用于传递信息的分 子可以引入只有细胞那么大的纳米计算机中。试想，如果将存储了人类全部知识的纳米计算 机安放在人脑中，则它们将像所有神经元那样代替人的思维。可见，纳米生物学展示了诱人 的发展前景

CAS 中国 中国科学院的英文缩写 五环旗 中回地图 图12用STM在石墨表面上刻蚀的图案 众多的实验已经证明，继S问世以后，人类实现了当今最微小的操作，人类按照自己 的意愿操纵原子已不再是梦想。实现原子级操纵和原子级加工，是目前国际科学界公认的 21世纪高新技术。我国科学家在这一领域的许多方面均已取得了突破性成果。1994年初， 中国科学院真空物理实验室的研究人员成功地利用一种新的表面原子操纵方法，通过ST 在硅单晶表面上直接提走硅原子，形成平均宽度为2纳米(3至4个原子)的线条。从ST 获得的照片上可以清晰地看到由这些线条形成的"100“字样和硅原子晶格整齐挂列的背景 (图11)。图2是中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在石墨表 面上刻蚀出来的图象。图上“中国“字样，中国科学院的英文缩写字“CS“和中国地图以及奥 运会五环旗图案都十分清晰逼真。图形的线宽实际上只有10m。这些事实已经表明，在这 一领域中中国已率先跨入21世纪的门槛

众多的实验已经证明，继 STM 问世以后，人类实现了当今最微小的操作，人类按照自己 的意愿操纵原子已不再是梦想。实现原子级操纵和原子级加工，是目前国际科学界公认的 21 世纪高新技术。我国科学家在这一领域的许多方面均已取得了突破性成果。1994 年初， 中国科学院真空物理实验室的研究人员成功地利用一种新的表面原子操纵方法，通过 STM 在硅单晶表面上直接提走硅原子，形成平均宽度为 2 纳米(3 至 4 个原子)的线条。从 STM 获得的照片上可以清晰地看到由这些线条形成的"100"字样和硅原子晶格整齐排列的背景 (图 11)。图 12 是中国科学院化学研究所的科技人员利用自制的扫描隧道显微镜，在石墨表 面上刻蚀出来的图象。图上"中国"字样，中国科学院的英文缩写字"CAS"和中国地图以及奥 运会五环旗图案都十分清晰逼真。图形的线宽实际上只有 10nm。这些事实已经表明，在这 一领域中中国已率先跨入 21 世纪的门槛