隧道电流Ⅰ与样品和针尖间的距离d关 原子搬迁:1993年5月IBM的科学家M. Commie等在液氮温度用电子束将单层 的Fe原子蒸发到Cu(111)表面,然后用STM针尖将48个铁原子排成圆圈,铁原 子间距:9.5A,圆圈平均半径:71.3A。圆圈由分立的铁原子组成而不连续, 却能围住圈内处于铜表面的电子,故称作量子围栏( quantum corral)。 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜( Scannins Tunneling Microscope,英文缩写为STM是20世纪80年 代初发展起来的一种显微镜,其分辨本领是目前各种显微镜中最髙的:横向分辨本领为 0.1nm~0.2nm(1nm=10-9m),深度分辨本领为0.0lnm.通过它可以清晰地看到排列在物质表 面的直径大约为10-10m尺度的单个原子(或分子).扫描隧道显微镜的观察条件要求不高 可以在大气、真空中的各种温度下进行工作.在扫描隧道显微镜发明之前,对原子级的微观 世界的观察往往带有一定的破坏性,例如用场离子显微镜对样品研究时,由于被观测的样品 表面要受到很大的电场力,所以样品极容易受损.由于扫描隧道显微镜进行的是无损探测, 被探测的样品不会受到高能辐射等的作用,因而,已被使用在尖端科学的许多领域. 扫描隧道显微镜在进行与物质表面电子行为有关的物理、化学性质的观察研究时,是很 有效的工具,正在微电子学(例如研究由几十个原子组成的电路)、材料科学(例如晶体中原 子级的缺陷)、生命科学(例如研究单个蛋白分子或DNA分子)等许多领域的研究中发挥着重 要的作用,具有广阔的应用前景.国际科学界公认,扫描隧道显微镜是20世纪80年代世界 科技成就之 扫描隧道显微镜是1982年由美国IBM公司设在瑞士苏黎士的实验室里的两位科学家 葛·宾尼( Gerd Binning)和海·罗雷尔(Hein- rich rohrer)发明的.这个发明使人类实现了 直接看到原子的愿望.由于对科学做出的杰出贡献,葛·宾尼和海·罗雷尔获得了1986年 度诺贝尔物理奖 我们知道,对于直径的数量级为10-10m那么小的粒子,用一般的显微镜是看不见的, 即使用场离子显微镜也只能看到粒子的位置.而用扫描隧道显微镜拍摄的照片上,石墨原子 却清晰可见.那么,扫描隧道显微镜是怎样对物质进行观察的呢? 扫描隧道显微镜的工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理与通常光学显微放大的原理截然不同.它是应用量子力学的 隧道效应来观察物质的原子(或分子)的 我们知道,当两个导体之间有一个绝缘体时,如果在这两个导体之间加一定的电压 般是不会形成电流的.这是因为,虽然两个导体间有电压,各具有一定的电势,但它们之间 的绝缘体阻碍电子从高电势向低电势的运动,导体中的自由电子不能穿过绝缘体运动到另一 个导体上,也就不能形成电流,即在两个导体之间存在势垒(图2甲).经典物理学认为,只 有电压增大到能把绝缘层击穿,也就是势垒被击穿时,电子才会通过绝缘体 量子力学认为,微观粒子在空间的运动是按一定的几率密度分布的.根据量子力学的计 算知道,如果势垒厚度小到只有几个10-10m时,电子可能穿过势垒,即从势垒的这一边到 达势垒的另一边,形成电流(图2乙).也就是说,在势垒相当窄的情况下,这一侧的电子可 能在势垒上打通一条道路,穿过势垒到达势垒的另一侧,形成电流.在势垒相当窄的情况下, 电子能穿过势垒的现象,在量子力学中叫做隧道效应,这样形成的电流叫做隧道电流8 隧道电流 I 与样品和针尖间的距离 d 关 原子搬迁：1993 年 5 月 IBM 的科学家 M.Crommie 等在液氮温度用电子束将单层 的 Fe 原子蒸发到 Cu(111)表面，然后用 STM 针尖将 48 个铁原子排成圆圈，铁原 子间距：9.5 Å，圆圈平均半径：71.3 Å。圆圈由分立的铁原子组成而不连续， 却能围住圈内处于铜表面的电子，故称作量子围栏(quantum corral)。 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜(Scannins Tunneling Microscope，英文缩写为 STM)是 20 世纪 80 年 代初发展起来的一种显微镜，其分辨本领是目前各种显微镜中最高的：横向分辨本领为 0.1nm～0.2nm(1nm=10-9m)，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 10-10m 尺度的单个原子(或分子)．扫描隧道显微镜的观察条件要求不高， 可以在大气、真空中的各种温度下进行工作．在扫描隧道显微镜发明之前，对原子级的微观 世界的观察往往带有一定的破坏性，例如用场离子显微镜对样品研究时，由于被观测的样品 表面要受到很大的电场力，所以样品极容易受损．由于扫描隧道显微镜进行的是无损探测， 被探测的样品不会受到高能辐射等的作用，因而，已被使用在尖端科学的许多领域． 扫描隧道显微镜在进行与物质表面电子行为有关的物理、化学性质的观察研究时，是很 有效的工具，正在微电子学(例如研究由几十个原子组成的电路)、材料科学(例如晶体中原 子级的缺陷)、生命科学(例如研究单个蛋白分子或 DNA 分子)等许多领域的研究中发挥着重 要的作用，具有广阔的应用前景．国际科学界公认，扫描隧道显微镜是 20 世纪 80 年代世界 科技成就之一． 扫描隧道显微镜是 1982 年由美国 IBM 公司设在瑞士苏黎士的实验室里的两位科学家 葛·宾尼(Gerd Binning)和海·罗雷尔(Hein-rich Rohrer)发明的．这个发明使人类实现了 直接看到原子的愿望．由于对科学做出的杰出贡献，葛·宾尼和海·罗雷尔获得了 1986 年 度诺贝尔物理奖． 我们知道，对于直径的数量级为 10-10m 那么小的粒子，用一般的显微镜是看不见的， 即使用场离子显微镜也只能看到粒子的位置．而用扫描隧道显微镜拍摄的照片上，石墨原子 却清晰可见．那么，扫描隧道显微镜是怎样对物质进行观察的呢？ 一、扫描隧道显微镜的工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理与通常光学显微放大的原理截然不同．它是应用量子力学的 隧道效应来观察物质的原子(或分子)的． 我们知道，当两个导体之间有一个绝缘体时，如果在这两个导体之间加一定的电压，一 般是不会形成电流的．这是因为，虽然两个导体间有电压，各具有一定的电势，但它们之间 的绝缘体阻碍电子从高电势向低电势的运动，导体中的自由电子不能穿过绝缘体运动到另一 个导体上，也就不能形成电流，即在两个导体之间存在势垒(图 2 甲)．经典物理学认为，只 有电压增大到能把绝缘层击穿，也就是势垒被击穿时，电子才会通过绝缘体． 量子力学认为，微观粒子在空间的运动是按一定的几率密度分布的．根据量子力学的计 算知道，如果势垒厚度小到只有几个 10-10m 时，电子可能穿过势垒，即从势垒的这一边到 达势垒的另一边，形成电流(图 2 乙)．也就是说，在势垒相当窄的情况下，这一侧的电子可 能在势垒上打通一条道路，穿过势垒到达势垒的另一侧，形成电流．在势垒相当窄的情况下， 电子能穿过势垒的现象，在量子力学中叫做隧道效应，这样形成的电流叫做隧道电流．