【表面物理分析实验室：李军博士 朱思源博士 撰文】
【仪器设备：STM仪器将于2020年2月到位】
【地点：4号楼103室 表面物理分析实验室】
1 扫描隧道显微镜的基本工作原理
就像很多的科学新发现都是偶然间得到的一样，扫描隧道显微镜（STM）的发明也是十分偶然的。当二十世纪七十年代末物理学家Gerd Bining博士和他的导师Heinrich Rohrer博士在位于瑞士苏黎士的IBM公司的实验室进行超导实验时，他们并未把自己有关超导隧道效应的研究与STM的发明联系到一起。但他们所做的真空中超导隧道谱的研究工作已经为STM的发明打下了坚实的理论和实验基础。后来当看到了物理学家罗伯特•杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章后，他们忽然产生了一个灵感：为什么不利用导体的隧道效应来探测物体表面从而得到物体表面的形貌图呢？两人经过了一段时间的工作终于在1981年，发明了世界上第一台扫描隧道显微镜。这种新型显微仪器的诞生，使人们能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态并研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对物理科学、表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着十分重大的意义和重要应用价值。两位科学家因此与透射电子显微镜的发明者Ernst Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
图1 从左至右依次为Ernst Ruska，Gerd Binnig，Heinrich Rohrer[1]
扫描隧道显微镜是一个通过探测扫描探针和样品之间的量子隧穿电流来分辨固体表面形貌特征的显微装置。其基本的工作原理是量子力学中的量子隧穿效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的能量E低于前方的势垒高度U时，它不可能越过此势垒。但根据量子力学的原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，即使粒子的能量低于势垒的高度，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为量子隧穿效应。
图2 量子隧穿效应示意图[2]
量子隧穿效应的基本原理可以通过一维方势垒模型来解释。如图3所示，势垒的高度是V0宽度是s，且满足V(z)=0（z<0）; V(z)=V0(0≤z≤s); V(z)=0 (z>s).当电子从势垒的左侧向势垒的右侧运动时，其状态可以由薛定谔方程表述如下:
此处me是电子质量, ħ是约化普朗克常数, Ψ（z）是电子波函数, E是电子能量.以上方程在势垒的三个区域的解分别为:
此处α2=2meEħ-2, β2= 2me(V0­­ – E)ħ-2, A, B, C，D，E和F是可以通过边界条件推算出来的相应的常数。因为电子在某处波函数的平方与在此处观测到此电子的概率成正比，而波函数的平方在势垒区域内仍是一个非零值，即电子仍有一定的几率穿过能量势垒而被观察到。
图3.一维方势垒示意图
2 扫描隧道显微镜的结构及工作方式
在扫描隧道显微镜实验中，首先需要在样品和探针之间施加一个偏压，当探针与样品之间的距离减少到约几个纳米时，就可以探测到由量子隧穿效应引起的隧穿电流。由于隧穿电流与样品和针尖之间的间隔成指数衰减的关系，因此扫描隧道显微镜对表面的微小形貌变化都十分敏感。使用针尖扫描过整个样品，就可以得到样品表面的形貌信息了。一个典型扫描隧道显微镜系统结构如图3所示，主要包括振动隔绝系统，扫描头，扫描控制和信号采集系统。由于针尖与样品之间的距离仅有几纳米，因此必须使用振动隔绝装置来减少外界振动对实验的影响，否则针尖很有可能在外界振动的作用下戳入样品表面。一般情况下，可以使用阻尼材料，金属弹簧和涡电流装置的组合实现扫描隧道显微镜的被动隔振。扫描头主要包括粗进针装置和精细进针装置。粗进针装置具有行程长，步长大的特点，适用于样品-针尖距离较大时的进针，精细进针装置具有行程短，步长小的特点，适用于样品-针尖距离焦很小时的进针。其中精细进针装置主要由一个压电陶瓷管和固定在其顶端的尖锐的针尖组成。由于压电效应，当在压电陶瓷管外壁和内壁的电极上施加电压时，陶瓷管就会实现伸长和扭转，进而带动针尖在水平和垂直方向做任意的三维运动。控制系统可以检测隧穿电流并根据设定实时做出调整，数据采集系统可以将采集到的数据进行实时处理，并以图片或曲线的形式呈现出来。
图 4 STM组成示意图
在一个STM实验中，通常有三个主要的工作参数:针尖高度Z，针尖相对于样品的偏压V，和隧穿电流I。根据实验目的的不同，通过选择性的调控这三个参数，STM可以有多种工作模式。最常见的工作模式有两种:恒流模式和恒高模式。恒流模式：在扫描过程中保持偏压V恒定，当针尖扫描样品表面时，利用反馈回路通过控制针尖与样品距离，使隧道电流I保持恒定，记录针尖高度Z随样品表面局域结构改变的变化。恒高模式：在扫描过程中同时保持偏压V和针尖的高度恒定不变，同时关闭反馈回路，使针尖在样品表面上方的一个Z值不变的平面内进行扫描，同时记录对应的隧道电流I值。由于在恒高模式中扫描信号控制不需要经过反馈回路，因此在恒高模式下可以获得较高的扫描速度。但由于反馈回路的关闭，扫描头以恒定的高度扫描过样品表面，无法对样品表面的形貌变化做出相应的调整，容易出现撞针（探针接触到样品表面），进而损坏探针或者样品的情况。因此恒高模式只适用于扫描表面非常平整的样品。恒流模式中，由于反馈回路的存在，扫描探针可以根据样品形貌变化进行相应调整，因此它己成为目前STM成像的主流工作模式，并且能够直接反应样品表面的形貌信息。
图 5 （a）扫描隧道显微镜恒流模式示意图，（b）恒高模式示意图[3]
3 扫描隧道显微镜的应用
扫描隧道显微镜具有极高的实空间分辨率，能够实现样品的原子级分辨率观测。与同样能够提供高分辨成像的透射电镜和扫描电镜相比，扫描隧道显微镜的工作环境也十分广泛，既可以在真空中工作，也可以在大气环境下和液体中观测样品。因此扫描隧道显微镜被广泛应用在物理学，化学，材料学，生物学等诸多学科。
扫描隧道显微镜最常见的应用就是利用高分辨成像来研究样品表面的结构。由于表面重构的存在，很多晶体表面原子的排布都会与块体中的原子排布略有区别。利用低能电子衍射等手段虽然能够得到一定的结构信息，但却无法给出精确的重构模型。扫描隧道显微镜的发明使得研究人员可以直接得到重构表面的原子级分辨率图像，进而得到精确的表面重构信息。在扫描隧道显微镜发明之前，Si（111）面的重构模型曾经困扰研究人员很多年。在1983年扫描隧道显微镜显微镜的发明人Gerd Bining和Heinrich Rohrer首次给出了Si（111）面的7*7重构的实空间原子级分辨率图像（见图6左图），根据此图像研究人员提出了新的重构结构模型，进而解决了这个困扰研究人员多年的学术难题（见图6右图）。
图 6 （a）扫描隧道显微镜中观察到的Si（111）面的7*7重构的原子级分辨率的图像，（b）Si（111）面的7*7重构的结构模型[4]
扫描隧道显微镜不仅仅是一个“超级放大镜”可以让研究人员观测到样品原子结构，同时它也是一个“超级镊子”可以让人们根据自己的意愿操纵单个原子，组建成相应的纳米结构。在利用扫描隧道显微镜观察样品表面时，一般需要保证样品和针尖之间的作用尽量的微弱，从而避免改变样品的形貌结构，但是如果利用针尖对样品表面的原子施加一个可控的较强的相互作用，就可以利用扫描隧道显微镜来移动原子，构建所需的纳米结构。如图7a所示，利用扫描隧道显微镜进行原子操纵的过程可以分为三个步骤：A.确认目标原子位置，并将探针直接放置在目标原子上方。通过加大隧穿电流的方法，逐渐加大针尖与样品间的相互作用，直至二者之间的作用大到足以在样品表面挪动原子。B.利用针尖与样品间的强吸引作用，挪动原子到所需的摆放位置。C.逐渐减小隧穿电流使得针尖逐渐远离吸附的原子，完成操纵过程。重复这个操纵过程，研究人员就可以建造期望的纳米结构。如图7b所示，在1993年Eigler等研究人员利用原子操纵的方法将吸附在Cu（111）表面上48个Fe原子逐个移动并排列成一圆形量子栅栏结构。这个圆形量子栅栏的直径只有14.26nm，而且由于金属表面的自由电子被局限在栅栏内，可以在扫描隧道显微镜的图片中观测到表面态电子由于量子干涉所形成的圆环状的驻波。这是人类首次直接用原子组成具有特定功能的人工结构。为研究人员探索物质的基本性质，构建具有新功能的量子器件开辟了一个全新的途径。
图7（a）利用扫描隧道显微镜进行原子操纵的示意图，（b）利用铁原子建造的量子围栏[2,5]
参考资料：
[1]. Nayfeh, Munir H. Fundamentals and Applications of Nano Silicon in Plasmonics and Fullerines: Current and Future Trends. Elsevier, 2018.
[2]. Chen, C. Julian. Introduction to scanning tunneling microscopy. Oxford University Press on Demand, 1993.
[3]. Nizhniy Novgorod.Fundamentals of scanning probe microscopy.NT-MDT,2004.
[4].http://eng.thesaurus.rusnano.com/wiki/article14156
[5]. Crommie, Michael F., Christopher P. Lutz, and Donald M. Eigler. "Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface." Science 262.5131 (1993): 218-220.
