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1、大物 纳米第1页，共26页，编辑于2022年，星期六 光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视光学显微镜的出现，开阔了人们的观察视野，但是由于受到光波波长的限制，光学显野，但是由于受到光波波长的限制，光学显微镜的观察范围只能局限在细胞的水平上，微镜的观察范围只能局限在细胞的水平上，分辨率大约分辨率大约1010-6-6米至米至1010-7-7米的水平上米的水平上.人类能人类能否看得更小，更精确一些呢？为了达到这个否看得更小，更精确一些呢？为了达到这个目的，科学家进行了几个世纪不懈的努力。目的，科学家进行了几个世纪不懈的努力。扫描隧道显微镜的诞生扫描隧道显微镜的诞生第2页，共26页，编辑于2022年，
2、星期六 19311931年德国科学家恩斯特年德国科学家恩斯特.鲁斯卡利用电子鲁斯卡利用电子透镜可以使电子束聚焦的原理和技术，成功地透镜可以使电子束聚焦的原理和技术，成功地发明了电子显微镜发明了电子显微镜.电子显微镜一出现即展现电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，分辨率达到了万倍，分辨率达到了1010-8-8米。在电子显微镜下，米。在电子显微镜下，比细胞小的多的病毒也露出了原形。人们的比细胞小的多的病毒也露出了原形。人们的视觉本领得到了进一步的延伸视觉本领得到了进一步的延伸。扫描隧道显微镜的诞生扫描隧道显微镜的诞生第3页，共
3、26页，编辑于2022年，星期六 19821982年，物理学家宾尼和他的导师罗雷尔发年，物理学家宾尼和他的导师罗雷尔发明了世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道明了世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜。显微镜。扫描隧道显微镜的英文名称是扫描隧道显微镜的英文名称是 Scanning Tunneling MicroscopeScanning Tunneling Microscope，简称为简称为STMSTM。STMSTM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.10.1纳米，垂直分辨率小于纳米，垂直分辨率小于0.0010.001纳米。纳米。扫描隧道显微镜的诞生扫描
4、隧道显微镜的诞生第4页，共26页，编辑于2022年，星期六 一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。晰可见。扫描隧道显微镜的诞生扫描隧道显微镜的诞生第5页，共26页，编辑于2022年，星期六 图中显示的是硅表面图中显示的是硅表面重构的原子照片，照片重构的原子照片，照片上，硅原子在高温重构上，硅原子在高温重构时组成了美丽的图。时组成了美丽的图。扫描隧道显微镜的诞生扫描隧道显微镜的诞生第6页，共2
5、6页，编辑于2022年，星期六 为什么为什么STMSTM有如此高的分辨率？它又是如何有如此高的分辨率？它又是如何工作的呢？为了弄清这个问题，我们先要从隧工作的呢？为了弄清这个问题，我们先要从隧道效应讲起道效应讲起.如果在一段导体的两端加上电压，就会有如果在一段导体的两端加上电压，就会有电流流过这个导体。如果把这个导体弄断并电流流过这个导体。如果把这个导体弄断并分开呢？自然就没有电流了。这是大家所熟分开呢？自然就没有电流了。这是大家所熟悉的电路常识。悉的电路常识。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第7页，共26页，编辑于2022年，星期六 但是如果我们想象把这断为两截的导体放得但是如果我们
6、想象把这断为两截的导体放得非常非常近，比如说距离控制到小于非常非常近，比如说距离控制到小于1 1纳米吧，纳米吧，情况又会怎样呢？情况又会怎样呢？根据量子力学理论的计算和科根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位差的两个导体之间的学实验的证明，当具有电位差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第8页，共26页，编辑于2022年，星期六 这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为
7、隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。之所以效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样。电流隧道一样。隧道电流有一种特殊的性质，即对两导体之隧道电流有一种特殊的性质，即对两导体之间的距离非常敏感，如果把距离减少间的距离非常敏感，如果把距离减少0.10.1纳米，纳米，隧道电流就会增大一个数量级隧道电流就会增大一个数量级。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第9页，共26页，编辑于2022年，星期六扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第10页，共26页，编辑于2022年，星期六 现在我们把两个
8、导体如图换成尖锐的金属现在我们把两个导体如图换成尖锐的金属探针和平坦的导电样品，在探针和样品之间探针和平坦的导电样品，在探针和样品之间加上电压。当我们移动探针逼近样品并在反加上电压。当我们移动探针逼近样品并在反馈电路的控制下使二者之间的距离保持在小馈电路的控制下使二者之间的距离保持在小于于1 1纳米的范围时，根据前面描述的隧道效纳米的范围时，根据前面描述的隧道效应现象，探针和样品之间产生了隧道电流。应现象，探针和样品之间产生了隧道电流。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第11页，共26页，编辑于2022年，星期六 隧道电流对距离非常敏感。当移动探针在水隧道电流对距离非常敏感。当移动探针在
9、水平方向有规律的运动时，探针下面有原子的地平方向有规律的运动时，探针下面有原子的地方隧道电流就强，而无原子的地方电流就相对方隧道电流就强，而无原子的地方电流就相对弱一些。把隧道电流的这个变化记录下来，再弱一些。把隧道电流的这个变化记录下来，再输入到计算机进行处理和显示，就可以得到样输入到计算机进行处理和显示，就可以得到样品表面原子级分辨率的图象。品表面原子级分辨率的图象。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第12页，共26页，编辑于2022年，星期六 如此微小的扫描移动，如此精确的距离控如此微小的扫描移动，如此精确的距离控制，制，STMSTM是怎样实现的呢？为了说明这个问题，是怎样实现的呢
10、？为了说明这个问题，我们需要介绍我们需要介绍STMSTM的另一个重要器件的另一个重要器件压电压电陶瓷。陶瓷。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第13页，共26页，编辑于2022年，星期六 压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小呈线形关系。也就是说，寸与所加的电压的大小呈线形关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。扫描
11、隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第14页，共26页，编辑于2022年，星期六通过控制通过控制X X，Y Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制描的目的；通过控制 Z Z 方向压电陶瓷的伸缩达到方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。控制探针与样品之间距离的目的。我们把三个分别我们把三个分别代表代表X X，Y Y，Z Z方方向的压电陶瓷块向的压电陶瓷块组成三角架的形组成三角架的形状。状。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第15页，共26页，编辑于2022年，星期六 STMSTM探针的最尖端是非常尖锐的，通常只探针的最尖端是非常尖
12、锐的，通常只有一两个原子。因为只有原子级锐度的针尖有一两个原子。因为只有原子级锐度的针尖才能得到原子级分辨率的图象，正好比只有才能得到原子级分辨率的图象，正好比只有刻度精确的尺子才能测量得到精确的尺度一刻度精确的尺子才能测量得到精确的尺度一样。样。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第16页，共26页，编辑于2022年，星期六 总之，总之，扫描隧道显微镜的基本工作原理是利扫描隧道显微镜的基本工作原理是利用探针与样品在近距离（小于用探针与样品在近距离（小于0.10.1纳米）时，由纳米）时，由于二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流于二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感；对距离
13、非常敏感；扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第17页，共26页，编辑于2022年，星期六当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像貌图像.扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理第18页，共26页，编辑于202
14、2年，星期六 STMSTM的适应领域和操作环境非常宽阔，不管样品是在真的适应领域和操作环境非常宽阔，不管样品是在真空中、空气中，还是液体中，空中、空气中，还是液体中，STMSTM都可以使其现出原形都可以使其现出原形”。扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理 图中所示的是在电解液中图中所示的是在电解液中得到的硫酸根离子吸附在铜得到的硫酸根离子吸附在铜单晶单晶(111)(111)表面的表面的STMSTM图象。图象。图中硫酸根离子吸附状态的图中硫酸根离子吸附状态的一级和二级结构清晰可见一级和二级结构清晰可见。第19页，共26页，编辑于2022年，星期六 首先，首先，STMSTM具有极高的分辨率。它
15、可以轻易的具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。我们可以用一个比喻来解释所难以达到的。我们可以用一个比喻来解释STMSTM的分辨本领：假如使用的分辨本领：假如使用STMSTM把一个原子放大到一把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，那么就相当于把一个网球放个网球大小的尺寸，那么就相当于把一个网球放大到我们生活的地球那么大大到我们生活的地球那么大.扫描隧道显微镜的优点扫描隧道显微镜的优点第20页，共26页，编辑于2022年，星期六 其次，其次，STMSTM得到的是实时的、真实的样品表面得到的是实时的、真实的样品表面
16、的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过的高分辨率图象。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，就是说，STMSTM是真正看到了原子。是真正看到了原子。扫描隧道显微镜的优点扫描隧道显微镜的优点第21页，共26页，编辑于2022年，星期六 STMSTM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而空条件下才能进行测试。而STMSTM既可以在真空既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高
17、温，中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此甚至在溶液中使用。因此STMSTM适用于各种工作适用于各种工作环境下的科学实验。环境下的科学实验。扫描隧道显微镜的优点扫描隧道显微镜的优点第22页，共26页，编辑于2022年，星期六 STMSTM的应用领域宽广。无论是物理、化学、生的应用领域宽广。无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。学科都有它的用武之地。STM STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲较低。讲较低。扫描隧道显微镜的优点扫描隧道显微镜的优
18、点第23页，共26页，编辑于2022年，星期六 STMSTM的问世，为现代科技在微观领域的突破的问世，为现代科技在微观领域的突破提供了必要的工具，为纳米科技的兴起创造提供了必要的工具，为纳米科技的兴起创造了条件。正是为了表彰葛了条件。正是为了表彰葛.宾尼和海宾尼和海.罗雷尔罗雷尔发明扫描隧道显微镜而对科学所做的卓越贡发明扫描隧道显微镜而对科学所做的卓越贡献，献，19861986年，瑞典皇家科学院把本年度代表年，瑞典皇家科学院把本年度代表科学研究最高荣誉的诺贝尔物理学奖授予了科学研究最高荣誉的诺贝尔物理学奖授予了这两位杰出的科学家。这两位杰出的科学家。扫描隧道显微镜的优点扫描隧道显微镜的优点第2
19、4页，共26页，编辑于2022年，星期六 正象任何事物都不是十全十美的一样，正象任何事物都不是十全十美的一样，STMSTM也有令人遗憾的地方。也有令人遗憾的地方。STMSTM基于隧道电流基于隧道电流的工作原理决定了样品必须是导体或半导体。的工作原理决定了样品必须是导体或半导体。而面对世界上大量存在的非导电材料来讲，而面对世界上大量存在的非导电材料来讲，STMSTM显得无能为力了。显得无能为力了。扫描隧道显微镜的不足扫描隧道显微镜的不足第25页，共26页，编辑于2022年，星期六 目前除了隧道显微镜（目前除了隧道显微镜（STMSTM）、原子力显）、原子力显微镜（微镜（AFMAFM）以外，还有近场光学显微镜）以外，还有近场光学显微镜（NSOMNSOM）、侧面力显微镜（）、侧面力显微镜（IFMIFM）、磁力显微镜）、磁力显微镜（MFMMFM）、极化力显微镜（）、极化力显微镜（SPFMSPFM）已有二十已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPMSPM）。）。扫描探针显微镜扫描探针显微镜第26页，共26页，编辑于2022年，星期六