扫描隧道显微镜

一. 前 言

1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼(Gerd Bining)博士和海.罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其实验室的其他工作人员，研制成功了世界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜，英语称为Scanning Tunneling Microscope，简称为STM。当时海.罗雷尔是IBM公司苏黎世研究实验室的科学家，葛.宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，海. 罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛. 宾尼提出可用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海. 罗雷尔把葛. 宾尼请到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个原子的面积。因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。为此。扫描隧道显微镜的发明者在1986年获得诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分享）。

二. 扫描隧道显微镜的发展过程

我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质宏观结构的有力工具。

最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。

显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。

第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克(Leeuwenhoek, Antoni van  1632 - 1723)研制成功了第一台光学显微镜，把人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。但由于光波的性质，光学显微镜的分辨能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。可见光的最短波长为400nm，光学显微镜最小可分辨的两点间距不会小于200nm，这就是光学显微镜的观察极限。那么怎样缩短显微镜的这种最小可辨间距呢？由此发明了第二代显微镜——电子显微镜。

第二代显微镜——电子显微镜：1924年法国物理学德布罗意（DeBroglie, Louis victor 1892 – 1987）指出，微观粒子除了具有粒子性外，还具有波动性，并且能量越大，波长越短，由此科学家便把目光投向了电子。如果能用高能电子束代替光束，而电子束的波长远小于光束的波长，那么不就可以大大提高显微镜的分辨力了吗？在20世纪20年代末，鲁斯卡（Ruska, Ernst）经过多次实验探索，利用电磁场控制电子束的运动方向，将通过样品，带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成分辨率极高的图像。终于在1933年研制成功世界上第一台电子显微镜，开创了人类研究微观世界的新纪元。鲁斯卡因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。但电子显微镜存在着很多不足，高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示，表面物理的迅速发展又急需一种能够观测物质表面结构的显微术，因此80年代诞生了第三代显微镜即扫描隧道显微镜。

第三代显微镜——扫描隧道显微镜：扫描隧道显微镜的出现，使人类能够实时观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，扫描隧道显微镜因其可直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造成任何损伤，而被广泛应用于表面科学、材料科学、生命科学等领域，并成为钠米加工的关键技术。扫描隧道显微镜不仅可以在各种样品表面上进行直接刻写、光刻以及诱导淀积和刻蚀等，它还可以把吸附在表面上的吸附质如金属小颗粒、原子团及单个原子等从表面某处移向另一处，即对这些小颗粒进行操作。STM在这些方面的应用为用不同材料的微小粒子来构造器件的研究提供了有用的工具，它还可用来研究粒子之间或粒子与衬底间的相互作用，甚至有可能用一个个原子构造分子或者把分子分解成一个个原子。

三. 扫描隧道显微镜的基本工作原理

1.有关的几个基本概念

⑴．隧道现象—以一块金属为例。自由电子可以在金属内部自由移动，可为什么不能逸

出金属表面呢？这是由于金属表面存在着一定高度的势垒，自由电子所具备的能量不足以使自己翻越势垒，逸出金属表面。但象山一样的势垒底部存在一条“隧道”横贯“大山”，若电子通过“隧道”，就可以凭借自己较低的能量逸出金属表面。近代物理学的研究证明，金属的自由电子的确有机会通过“隧道”而出现在表面外的一定区域。这种现象就是“隧道现象”。

⑵．隧道效应—如图１所示，由于粒子可以进入U0 > E的区域，如果这一高势能区域是

有限的，即粒子在运动中为一势垒所阻，则粒子就有可能穿过势垒而到达势垒的另一侧．这一量子力学现象叫做势垒穿透或叫隧道效应，也就是说粒子能穿过比它动能更高的势垒的现象叫隧道效应。

⑶．隧道效应理论

在量子力学中，隧道效应是粒子波动性的直接结果。当一个粒子进入到一个势垒中，

而势垒的势能比粒子的动能大时，根据量子力学原理，粒子越过壁垒而出现在势垒的另一边的几率不为零，而经典力学给出的几率则为零。图2对此作了一个形象的说明。图中示出了贯穿势垒的隧道效应。

隧道谱—电子态是一个电子特定的能量值。隧道电流反映了样品表面的局域态密度

(LDOS)，所以STM可用于测定原子级分辨的谱学性质。固态势垒隧道结构的一个共同性质是在施加一个u的情况下，能量为0的电压会产生隧道效应。根据这种特性，可以用多种方式采集固体电极和势垒的经典隧道谱。第一类经典隧道谱主要用于研究超导态，探测能隙结构和产生配对电子体系的声子谱；第二类经典隧道谱是涉及到通常处于正常状态的电极和势垒的非弹性激发的非弹性电子隧道谱(IEIS)；第三类的隧道谱与在终电极或在势垒中电子能态分布有关。STM提供谱学信息，主要是利用它对样品表面能态的灵敏度。在I- u隧道谱中，通过改变隧道偏压的条件测量隧道电流，可提供LDOS的信息。

⑷．扫描探针—扫描探针的结构是扫描隧道显微镜技术中要解决的主要问

题之一，针尖的大小、形状和化学同一性不仅影响着扫描隧道显微镜图象的分辨率和图象的形状，而且也影响着测定的电子态，针尖的宏观结构不是细而长，才能使针尖具有高的弯曲共振频率，从而可以减小相应滞后，提高采集速度，如果针尖的最尖端只有一个稳定的原子而不是有多重针尖，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象。针尖的化学纯度高，就不会涉及系列势垒。例如针尖表面若有氧化层，则其电阻可能会高于隧道间隙的阻值，从而导致在针尖的样品间产生隧道电流之前，二者就发生碰撞。制备扫描探针的方法主要有：电化学腐蚀法（如钨针尖）和机械成型法（如铂铱合金针尖）等，扫描探针的针尖直径小于1nm。

2．扫描隧道显微镜基本工作原理

扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm），在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一个电极，隧道电流I是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离S和平均Ø有关：

                   （3—1）

 式中Vb是加在针尖和样品之间的偏值电压，平均功函数：，和分别为针尖和样品的功函数，A为常数，在真空条件下约等于1，隧道探针一般采用

直径小于1nm的细金属丝，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流。由式(3—1)可知，隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数的依赖关系，当距离减少0.1nm时，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，同时对X 、Y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图。

3．扫描隧道显微镜的工作过程

扫描隧道显微镜与一般的光学显微镜不同，它没有一般光学显微镜的光学器件，主要由四部分组成：扫描隧道显微镜主体；电子反馈系统；计算机控制系统；显示终端(图3)。其主体的主要部分是极细的探针针尖；电子反馈系统主要用来产生隧道电流，控制隧道电流和控制针尖在样品表面的扫描；计算机控制系统用来控制全部系统的运转和收集、存储得到的显微图象资料，并对原始图象进行处理；显示终端为计算机屏幕或记录纸，用来显示处理后的资料。

    扫描隧道显微镜工作时，探针针尖和被研究的样品的表面是两个电极，使样品表面与探针针尖非常接近(一般     图4中S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在Z方向高度的反馈电压。

①恒流模式：如图4（a），y方向起着扫描的作用，而z方向具有一套反馈系统，初始的隧道电流设为一恒定值，当样品表面凸起时，针尖就会向后退，以保持隧道电流的值不变。反之，当样品表面凹进时，反馈系统将使得针尖向前移动，计算机记录了针尖上下移动的轨迹，合成起来，就可给出样品表面的三维形貌。

②恒高模式：如图4(b)，x，y方向仍起着扫描的作用，而z方向则保持水平高度不变，由于隧道电流随距离有着明显的变化，只要记录电流变化的曲线，就可以给出高度的变化。

5．扫描隧道显微镜的特点

   扫描隧道显微镜其分辨本领为目前各种显微镜中最高的：横向分辨本领为0.1nm ~ 0.2nm ( 1nm=10-9  )，深度分辨本领为0.01nm。通过它可以清晰地看到排列在物质表面的直径大约为10-10 m尺度的单个原子（或分子）。主要特点如下：

(1) 具有原子级高分辨率。STM在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01m，即可分辨出单个原子。

(2) 可实时地得到在实空间中表面的三维图像，用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。这种可实时观测的性能还可用于表面扩散等动态过程的研究。

(3) 可观察单个原子层的局部表面结构而不是体相或整个表面的平均性质。因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置以及由吸附体引起的表面重构等。

(4) 可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

(5) 配合扫描隧道谱(Scanning Tunnel1ng Spectroscopy)，可得到有关表面电子结构的信

息,如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。

四. 在STM基础上发展起来的各种新型显微镜

   基于STM的基本原理，现在已发展起来了一系列扫描探针显微镜(SPM)，如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜（MFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描电容显微镜（ScaM）、扫描近场光学显微镜（SNOM)、扫描近场声显微镜、扫描近场热显微镜、扫描电化学显微镜等。这些显微技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度表现出的物理性质和化学性质。简要介绍几种与STM有密切关系的检测技术及其原理。

1．原子力显微镜(AFM)：

    AFM的工作原理是将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有微小的针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-8 ~ 10-6N)，扫描时控制这种力为恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

2．激光力显微镜(LFM)：

    激光力显微镜(Laser Force Microscope，LFM)的探测针尖是一根长半毫米的锥形钨丝或硅探针，尖端至少在50nm以下。探针底端装有一个压电能量转换器，将交流电转化为探针的振动，其振动频率高于探针的最低机械共振频率(50kHz)。把这种受迫振动的探针调节到试样表面时，探针与试样表面间会产生微弱吸引。在半导体和绝缘体材料上的这一吸引力，主要为凝聚在探针尖端与试样间水的表面张力和范德华吸引力。这种吸引力会使探针的共振频率降低，驱动频率和共振频率差距增大，探针尖端振幅减小。振幅的变化可用光学测量法探测，据此可推断出样品表面的起伏变化。

3．磁力显微镜(M FM)：

    磁力显微镜(Magnetic Force Microscope，M FM)与LFM相似，不同的是这种探针为沿着其长度方向磁化了的镍探针或铁探针。当探针接近一块磁性样品时，探针尖端会像一个条状磁铁的北极或南极，那样与样品中磁畴相互作用而感受到磁力，并使其共振频率发生变化，从而改变其振幅。用来观察样品磁场边界的清晰度、均匀度和强度等，分辨率优于25nm。

4．静电力显微镜(EFM)：

    静电力显微镜(Electrostatic Force Microscope，EFM)是LFM的扩展，不同的是EFM使用带有电荷的探针，在共振频率附近受迫振动，针尖和样品起到平行板电容器中两块板极的作用，因而在样品表面扫描时，振动振幅受样品中电荷产生的静电力的影响。能够测量出10-10N的静电力。对应于10-19 F的电容，这种显微镜可通过非接触方式研究微电子电路在极小尺度上的电特性。

5．弹道电子发射显微镜(BEEM)：

     弹道电子发射显微镜(Ballistic electron Emission Microscope，BEEM)是在STM的基础上发展起来的一种直接对表面下界面电子性质进行谱学研究并能以高分辨率成像的实验技术，所用的样品是由金属/半导体或半导体/半导体构成的肖特基势垒异质结。当STM针尖被调节到接近表面时，通过真空隧道效应针尖金属/半导体结发射弹道电子，弹道电子可以穿过表面层到达金属/半导体肖特基势垒界面而不发生散射。基极和针尖间的隧道偏压小于基极―收集极势垒高度时，弹道没有足够的能量越过能量势垒，因此没有弹道电子电流传送到收集极。当基极和针尖间偏压增加时，一些弹道电子到达收集极，基极―收集极电流I0显著增加。在样品不同位置上，弹道电子电流的变化不可能用基极膜厚度的变化来解释。因此，I0的空间变化反映出在界面不同部位上电子结构的差异I―u。谱直接表征了界面的电子结构，包括势垒高度、界面缺陷结构、电子在界面的量子力学反射和基极膜的弹道电子穿透特性。

6．扫描离子电导显微镜(SICM)：

    Hansma等人曾设计了一种用于生物学和电生理学研究的扫描离子电导显微镜(Scanning Ion-Condactance  Microscope，SICM)。这种显微镜可用于获取表面上覆盖电解液的非导体(生物膜)的表面图像。原理是将一个充满电解液的微型滴管当作扫描探针，非导电样品放在一个电解液存储池底部，将滴管探针调节到样品表面附近，监测滴管内电极和在电解液存储池中另一电极之间的电导变化。由于微型滴管接近表面时允许离子流过的空间减少，离子电导也随之减小，滴管探针横向扫描时，通过反馈控制电路使探针上下移动，以保持电导守恒，则探针运动的轨迹代表了样品表面的形貌。SICM探针并不接触样品表面，可对柔软的非导体成像而不损伤表面，分辨率可达0.2 um.。

7．扫描隧道电位仪(STP)：

    扫描隧道电位仪(Scanning Tunneling Potentiometry，STP)，用于研究电子通过凝聚态物质时的迁移，同时可获得表面形貌和电势分布，用来研究通过颗粒结构、缺陷和界面的电导。

8．光子扫描隧道显微镜(PSTM)：

    光子扫描隧道显微镜(Photon Scanning Tunneling Microscope，PSTM)是用探针探测样品表面附近被内全射光所激励的瞬衰场，从而获得表面结构信息。其分辨率远小于入射光的半波长，突破了光学显微镜半波长极限的限制。原理和工作方式与STM相似，不同的是STM利用电子的隧道效应，PSTM则是利用光子的隧道效应。

9．扫描近场光学显微镜(SN0M)：

扫描近场光学显微镜(Scanning Near-Field Optical Microscope，SN0M)是一种具有亚波长分辨率的光学显微镜。这种显微镜使用一根限制的光纤探针去探测样品附近的辐射。将光探针以恒高模式在样品表面扫描，可以得到光的显微图像，其分辨率为50nm左右。

10.扫描热显微镜

   扫描热显微镜（Scanning Thermal Microscope）所用探针是一根表面覆盖有镍层的钨丝，镍层与钨丝之间有一绝缘层。只是在探针尖端两种金属才结合在一起，如图所示，这一钨/镍结点起热电偶的作用，它产生一个与温度成正比的电压。首先将探针稳定在样品表面，并向结点通直流电来加热。当探针散失到空气中的热量等于电流提供的能量时，尖端的温度就稳定下来，这时探针比环境温度高几度。当探针接近样品时，热量向样品流失，由于样品是固体，其传热性比空气好，探针的热量散失速率将增加，于是探针尖端开始冷却，热电偶结上的电压也随之下降。通过用反馈回路调节探针与样品间隙，从而控制恒温扫描，可获得表面起伏情况。用这种方法已经获得了红细胞的表面形貌。

11. 扫描噪声显微镜

   扫描噪声显微镜SNM（Scanning Nosie Microscope）是STM的改进，除了隧道结上没有偏压外几乎和STM没有什么差别。扫描噪声显微镜通过在很宽的带宽上检测来自隧道结上的均方噪声电压，并利用反馈回路控制探针与样品间隙，进而使均方噪声电压。由于均方噪声电压和隧道间隙电阻成比例关系，因此控制均方噪声电压恒定也就控制了间隙电阻恒定。扫描噪声显微镜不仅可用于观测表面形貌，而且实际上提供了一种控制隧道间隙的新方法。这种方法在进行隧道结的其它测量。目前，扫描噪声显微镜存在的问题是控制回路的信噪比取决于测量噪声电压所用的频带宽和控制回路的频带宽之比。由于测量噪声电压所用的最大频带宽为100 KHz,因此扫描噪声显微镜的信噪比劣于STM。但是对于一些特殊用途，如在电化学中需要零平均电流，扫描噪声显微镜则具有其优势。

五. 扫描隧道显微镜的应用前景

    自从扫描隧道显微镜在实空间观察到Si (111)的7´7结构（Binning, Rohrer, Gerber和Weibel, 1983）而初次登场以来，已经证明，这个新的仪器对于凝聚态物理、化学和生物学等方面的很多学科发展起到了重要作用。

1．（1）在材料科学、生命科学技术的应用

    因为它具有原子级的分辨率，并能实时观测表面的三维图象，最适宜研究表面现象。固体表面的原子地位特殊，因此表面有许多与众不同的性质，弄清它们将能开发许多新技术、新产品。例如，引人瞩目的超晶格材料，它是用每层只有几个晶格厚的两种不同材料，一层一层交替叠合而成的。利用交界面处两表面上原子相互作用可以产生许多新奇的性能。于是，我们可以有目的地设计各种新材料，如性能优异的半导体材料，高温超导材料等。对于这些新材料的研究，扫描隧道显微镜无疑是一种强有力的工具。

    扫描隧道显微镜中不用高能电子束，样品不会因电子的轰击而受伤。扫描隧道显微镜可以在空气中使用，甚至允许样品表面覆盖一层水，这能使生物样品始终处于活的状态之中，这也是它比电子显微镜优越的地方。因此，扫描隧道显微镜在生命科学中有广阔的应用前景，并已取得不少成果。例如，中国科学院化学研究所用自己研制的扫描隧道显微镜观察一种噬菌体DNA(脱氧核糖核酸)的变异结构，对这些DNA变异结构的直接观察，丰富了人类对生命活动的主要遗传物质DNA结构的认识。

（2）在探测及纳米技术方面的应用

    当前，纳米科学与技术是一门极有前途的新兴学科，扫描隧道显微镜在这门学科的研究中发挥着重要作用，纳米科学与技术是在100nm ~ 0.1nm的尺度范围内进行的研究。STM(扫描隧道显微镜)是利用电子隧道效应发挥作用的，故只用来探测导体、半导体、超导体表面的情况。对于各种物质如金、硅、销、嫁等表面的情况可以比较清楚的表现出来如图5所示。

其实该技术只是把物体表面的起伏凹凸体现出来，并不是物体的实际形状，要想了解实际物质，尚需利用光谱技术进行识别。21世纪是生命科学的世纪，一切生物技术已经不再停留于宏观世界，    

而是深入到细胞分子、原子水平。譬如克隆技术，了解生命运动的深层原因都需要近场光学显微技术的运用，分子操纵更是不可缺少。光镊运用激光的聚焦把小分子约束在焦点附近，这一成果运用于原子操纵方面十分方便，例如目前在纳米技术中，利用光镊可把小分子、原子进行排列，美国的科研机构可把硅原子排IBM的字形；研究制作的纳米电子芯片可比微电子芯片的集成度再提高几个数量级。总之，微观领域的技术进步无疑为开辟世界科技新纪元提供了钥匙。

（3）在微电子技术方面的应用

     在微电子方面，STM、AFM、 SN0M技术应用也十分广泛，现在只举一例：在集成电路中各个晶体管之间电子往来穿梭，此时会有电子发光现象，运用特殊的光电倍增管可将微弱的光信号记录下来，利用近场光学显微技术可将图象摄制下来，有时场效应晶体管(FETS)会发生错误，特别是微处理器中。纽约市kash研究小组研究了这个问题，发现有时微处理器(microprcessor)会消耗高于平时两个数量级的电流，由于有数以百计的晶体管，所以不能确定究竟是哪一个晶体管出了问题，现在通过近场光学显微技术可以解决这个难题。把所有正常及不正常工作的微处理器的工作状况摄制下来，然后图片进行叠加，电子运行电流不一致的地方的FET就是有问题的晶体管，当然这个过程是通过测定电子运动时所发光束来判断的。这项技术在微电子业的应用不止限于这一点，正如比利时一所大学的研究员Ingrid De所说，我们不仅用它来观测数以百计的晶体管，我们还要拓展运用领域，例如可以从电子发出的光谱中得出电子的能量。

（4）在实际生产方面的应用

     一项新的技术，如果只是停留于科技而不是运用于实际，转化成现实的生产力，那这项技术也就不会有旺盛的生命力。光盘是现代生活生产中不可缺少的一部分，它的制作工艺直接关系到存储或读取数据的难易，所以光盘生产商千方百计要寻求一种简洁方便的方法来探测光盘表面的平滑度。自从AFM发明以来，完成此项操纵成为现实。由于AFM观测的就是物体表面的情况，故从扫描的结果可以直接得到光盘的光洁情况。有的光盘商运用AFM来检测光盘的金属磁粉是否均匀，光盘表面是否有裂隙，这是AFM技术运用比较直接的一个例子。

2．国内外扫描探针显微镜部分产品一览表

国别

厂  商

型   号

工作环境

性   能

美国

Digital

Instruments Inc.

Nanoscope  Ⅰ

空气

原子分辨率

Nanoscope  Ⅰ

Nanoscope  Ⅱ

空气

原子分辨率，

计算机控制，

图象处理。

Nanoscope

AFM

原子力显微镜

空气

原子分辨率，

计算机控制，

图象处理。

英国

VG公司

STM 2000

超高真空

原子分辨率

美国

Park

Scientific

Instruments Inc.

STM U2

超高真空

原子分辨率

PSI Probe

原子力显微镜

空气

原子分辨率

中国

中国科学院

化学研究所

本源仪器公司

CSTM-9000

空气

原子分辨率，

计算机控制。

CSPM-930

原子力显微镜

空气

德国

Omiccron Inc.

UHVSTM

超高真空

原子分辨率

日本

JEOL

JSTE-4000XV

超高真空

原子分辨率

丹麦

Danish

Micro-Engineering

Rasterscope

3000

空气

原子分辨率

六．扫描隧道显微镜在中国的发展

    谈及中国的扫描隧道显微技术就不得不提到白春礼。白春礼，中国科学院院士、博士生导师，于1953年生于辽宁省，1978年北京大学毕业后，就读于中科院化学所，获硕士、博士学位，1985年到美国加州理工学院和喷气推进实验室做博士后研究。1987年回国从事国内刚刚起步的扫描隧道显微技术。1988年初白春礼在回国的近半年时间内，就获得了令人瞩目的成绩，成功地研制了中国第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科学成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界"。1988年底，白春礼领导的科研小组研制出我国第一台原子力显微镜(AFM)，其性能一下子就达到了原子级分辨率，当时世界上只有少数几个国家研制的AFM能达到原子级分辨率。白春礼小组因此获得了1990年度中科院科技进步一等奖。1992年白春礼等再接再厉又成功地研制了激光力显微镜，1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作推出了我国第一台低温STM，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。这些新型系列显微仪器的研制成功，代表了我国在这一高技术领域的研究水平，为我国的扫描隧道显微学奠定了必要的物质基础。除了仪器的研制外，白春礼还从事STM的应用研究，并取得了突出的成绩。在白春礼等人的前导作用下，我国的STM表面分析领域也蓬勃发展起来。

     图6所示，这是中国科学院化学所等单位的科学家用纳米加工的方法在200nm X 200nm尺度上，用探针移动物体表面层的原子排布成功“中国”

二字。图7所示，也是中国科学院化学所的科学家用扫描隧道显微镜拍摄的石墨表面原子分布的照片，从这幅照片上看到的一个个亮斑是石墨表面的碳原子，它的分布很规则，照片上的碳原子像很清晰，它有力地证实了原子是客观存在的。

七．结束语

    由于扫描隧道显微镜领域天生就是交叉科学，其根深埋于量子力学、固体物理、化学物理、电子物理、机械工程和控制论之中，所以尽管扫描隧道显微镜有着许多优点，发展迅速并在很多领域得到应用。但由仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的，主要表现在以下两个方面：

1．扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差，图8摘自对铂超细粉末的一个研究实例。它形象地显

示了扫描隧道显微镜在这种探测方式上的缺陷，铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所遮盖，在形貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。当扫描隧道显微镜在

恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善，但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半经应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。

2．扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。

3扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。

   虽然STM问世的时间很短，但经过各国科学家的努力，STM技术已得到了迅速的发展，在许多方面显示出其独特的优点，相信随着理论与技术的日臻完善，STM及其相关技术必将在人类认识微观世界的进程中发挥越来越大的作用。

参考文献

[1] 白春礼编著 扫描隧道显微术及其应用  上海科学技术出版社 1992年

[2] [美] 陈成钧著 扫描隧道显微学引论    中国轻工业出版社 1996年

[3] 王琛著 表面科学中的电子隧道效应    华中师范大学出版社  1998年

[4] 孙润广 扫描隧道显微镜及其在生命科学研究中的应用   陕西师范大学学报（自然科学版） 1999年01期

[5] 张三慧主编 大学物理学 第五册 量子物理   清华大学出版社 2000年8月