扫描隧穿显微镜 扫描隧穿显微镜(STM)利用非常小的电流，让我们可以在原子尺度上观察材料的表面。 国际商业机器公司（苏黎世）的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer因为发明扫描隧穿显微 镜而获得1986年的诺贝尔物理学奖。扫描隧穿显微镜的工作原理涉及量子力学，并不容易 了解。然而，这些量子力学的原理己为无数实验所证实。 图1扫描隧穿显微镜根据量子力学的原理运作 电子隧穿 当你向墙壁投掷小球时，小球不可能穿过墙壁，因此反弹回来。在日常生活中，所有运 动皆遵从一些力学原理。这些原理在数百年前已被牛顿等物理学家发现，统称为经典力学。 然而在20世纪初，物理学家发现经典力学并不适用于原子世界。当物体非常细小的时 候，它的运动遵从另一套称为量子力学的物理学原理。量子世界的事情和我們日常生活的完 全不同。在量子世界中，物质可以呈现粒子的特性和波的特性。这称为波粒二象性。 例如，我们通常认为电子是粒子。但是，当很多电子撞击一层很薄的障碍物时，量子力 学预测电子的表现像波动多于像粒子。结果，有一些电子仍然被反弹回來，但另一些电子竞 能神奇地穿越障碍物（如图2）！这就好比水波冲击堤坝，有小部分的水可以穿越堤坝的裂 缝一样（如图3）。这种有趣的现象称为电子隧穿
扫描隧穿显微镜 扫描隧穿显微镜 (STM)利用非常小的电流，让我们可以在原子尺度上观察材料的表面。 国际商业机器公司 (苏黎世) 的 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 因为发明扫描隧穿显微 镜而获得 1986 年的诺贝尔物理学奖。扫描隧穿显微镜的工作原理涉及量子力学，并不容易 了解。然而，这些量子力学的原理已为无数实验所证实。 图 1 扫描隧穿显微镜根据量子力学的原理运作 电子隧穿 当你向墙壁投掷小球时，小球不可能穿过墙壁，因此反弹回来。在日常生活中，所有运 动皆遵从一些力学原理。这些原理在数百年前已被牛顿等物理学家发现，统称为经典力学。 然而在 20 世纪初，物理学家发现经典力学并不适用于原子世界。当物体非常细小的时 候，它的运动遵从另一套称为量子力学的物理学原理。量子世界的事情和我們日常生活的完 全不同。在量子世界中，物质可以呈现粒子的特性和波的特性。这称为波粒二象性。 例如，我们通常认为电子是粒子。但是，当很多电子撞击一层很薄的障碍物时，量子力 学预测电子的表现像波动多于像粒子。结果，有一些电子仍然被反弹回來，但另一些电子竟 能神奇地穿越障碍物（如图 2）！这就好比水波冲击堤坝，有小部分的水可以穿越堤坝的裂 縫一样（如图 3）。这种有趣的现象称为电子隧穿
图2当大量电子撞击一个很薄的障碍物时，一些电子能穿过障碍物，这现象是经典力学， 这现象是经典力学所不允许的。 水流方向 图3电子隧穿的比喻：水波可以穿越堤坝裂缝 电子的运动产生电流。所以，当电子隧穿通过障碍物时，我们能在障碍物后面探测到电 流。这电流称为隧穿电流。事实上，隧穿电流I随着障碍物厚度d指数衰减，即其中a和k 是常数，取决于障碍的特性和电子束能量等因素，而d則是障碍物的厚度。例如，图4为 当年2.6A和k=1.02×10'm时，I对d的线图。从图中我们看见电流对墙壁的厚度 是非常敏感的，厚度轻微的增加可引致电流大大下降
图 2 当大量电子撞击一个很薄的障碍物时，一些电子能穿过障碍物，这现象是经典力学， 这现象是经典力学所不允许的。 图 3 电子隧穿的比喻：水波可以穿越堤坝裂縫 电子的运动产生电流。所以，当电子隧穿通过障碍物时，我们能在障碍物后面探测到电 流。这电流称为隧穿电流。事实上，隧穿电流 I 随着障碍物厚度 d 指数衰减，即其中 a 和 k 是常数，取决于障碍的特性和电子束能量等因素，而 d 則是障碍物的厚度。例如，图 4 为 当 a= 2.6 nA 和 时，I 对 d 的线图。从图中我们看见电流对墙壁的厚度 是非常敏感的，厚度轻微的增加可引致电流大大下降
04 03 电流 (I/nA) 02 01 2 障碍物厚度d(m) 图4隧穿电流随障碍物厚度改变的例子。灰色部分显示当障碍物厚度增加1m时，电 流减弱超过7倍。 扫描隧穿显微镜的原理和组成部分 电子隧穿效应可以用来探测材料的表面在原子尺度上的起伏。当一个金属尖端非常靠近 一个导体的表面时，便可以检测到电流，原因是电子以隧穿的方式通过空隙。在这情况下， 尖端与表面之间厚度仅为数纳米的空隙，就是之前所说的障碍物。若把尖端在导体的表面上 水平移动（图5），便会发现电流的改变与表面的起伏完全吻合。换句话说，电流的改变完 全复制表面的外形，于是我们能够透过量度电流，探测到表面在原子尺度上的起伏。这便是 扫描隧穿显微镜(STM)的基本操作原理。STM所用的扫描尖端非常尖锐（图6），它只有数 个原子的大小，而隧穿电流则小至数个纳安培
图 4 隧穿电流随障碍物厚度改变的例子。灰色部分显示当障碍物厚度增加 1nm 时，电 流减弱超过 7 倍。 扫描隧穿显微镜的原理和组成部分 电子隧穿效应可以用来探测材料的表面在原子尺度上的起伏。当一个金属尖端非常靠近 一个导体的表面时，便可以检测到电流，原因是电子以隧穿的方式通过空隙。在这情況下， 尖端与表面之间厚度仅为数纳米的空隙，就是之前所说的障碍物。若把尖端在导体的表面上 水平移动 (图 5)，便会发现电流的改变与表面的起伏完全吻合。换句话说，电流的改变完 全复制表面的外形，于是我们能够透过量度电流，探测到表面在原子尺度上的起伏。这便是 扫描隧穿显微镜 (STM) 的基本操作原理。STM 所用的扫描尖端非常尖锐(图 6)，它只有数 个原子的大小，而隧穿电流则小至数个纳安培
電流被放大並 計算機的数據威理及顯示 傳送至計算機 穿红需流 愿電控制掃描器 位置xm 00000 掃描尖端 樣本 图5当空隙的厚度增加时，隧穿电流大大减小。因此电流的改变对应于样本表面的起伏 图6扫描隧穿显微镜的扫描尖端（图中央）
图 5 当空隙的厚度增加时，隧穿电流大大减小。因此电流的改变对应于样本表面的起伏 图 6 扫描隧穿显微镜的扫描尖端 (图中央)
控制压电扫描器的电压 压电控制扫描器 距离控制器 和扫描装置 扫描尖端 隧穿电压 隔离系统 计算机的数据处理与显示 图7扫描隧穿显微镜结构示意图 扫描隧穿显微镜的组成部分包括扫描用的尖端、压电控制扫描器、距离控制器和扫描装 置、隔离系統和计算机（图7）。 1.扫描用的尖端 电子从扫描尖端隧穿到样本，产生隧穿电流。 2.压电控制扫描器 压电晶体会随着所受电压的高低而产生非常细微的收缩或膨胀。这原理用于控制扫描尖端的 水平位置x,y,和它的高度z 3.距离控制器和扫描装置 使用压电原理控制位置的精确度要求很高，因此需要一个控制器粗略地把扫描尖端带到 接近样本的位置，然后才让压电控制发挥作用。 4.隔振系統 STM用于测量极细微的位置，因此隔振是非常重要的。 5.计算机 计算机记录隧穿电流并控制施加于压电管的电压，以产生样本表面的三维图形
图 7 扫描隧穿显微镜结构示意图 扫描隧穿显微镜的组成部分包括扫描用的尖端、压电控制扫描器、距离控制器和扫描裝 置、隔离系統和计算机 (图 7)。 1. 扫描用的尖端 电子从扫描尖端隧穿到样本，产生隧穿电流。 2. 压电控制扫描器 压电晶体会随着所受电压的高低而产生非常细微的收缩或膨胀。这原理用于控制扫描尖端的 水平位置 x, y,和它的高度 z. 3. 距离控制器和扫描装置 使用压电原理控制位置的精确度要求很高，因此需要一个控制器粗略地把扫描尖端带到 接近样本的位置，然后才让压电控制发挥作用。 4. 隔振系統 STM 用于测量极细微的位置，因此隔振是非常重要的。 5. 计算机 计算机记录隧穿电流并控制施加于压电管的电压，以产生样本表面的三维图形