扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜技术允许研究人员在不使用电子束或光的情况下，以超高分辨率绘制导电样品的表面原子图，并揭示了近40年来在原子水平上对物质的洞见。这篇博文将提供什么是扫描隧道显微镜的高级概述，它是如何工作的，以及它是如何应用于研究的。

什么是扫描隧道显微镜(STM)?

扫描隧道显微镜(STM)是一种不使用光束或电子束而获得原子尺度超高分辨率图像的成像技术。STM是由IBM的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在1981年发明的。五年后，这项发明为他们赢得了诺贝尔物理学奖。

STM是第一个在扫描探针显微镜(SPM)成像模式中发展起来的技术。当时，它使研究人员能够捕捉到比以往任何显微镜都多得多的细节——一直到原子和原子间间距。这种超高分辨率的能力允许研究人员精确绘制导电材料的三维地形和电子密度的状态，甚至操纵这些材料表面的单个原子。在接下来的几十年里，STM彻底改变了纳米技术领域，并继续在各种学科的基础和工业研究中发挥重要作用。

高取向热解石墨(HOPG)的STM图像
在空气中获得的庇护所研究Cypher S扫描探针显微镜，展示了分辨原子晶格结构的能力。(5 nm扫描尺寸)

STM是如何工作的?

STM是在现实世界的实际应用中利用量子力学过程(电子隧穿)的一个杰出和罕见的例子。术语“穿隧”指的是电子穿过一个障碍物的情况(在这种情况下，是尖端和表面之间的一个微小的缝隙)，而这个障碍物最初看起来应该是不可穿透的——就像向墙上扔球一样。描述球墙相互作用的物理学被称为“经典范式”，球永远不会穿过墙。相比之下，电子具有一种奇特的波状特征，这使它们成为“模糊的”云(不像球)，因此它们实际上可以同时存在于势垒的两侧，因此即使势垒能量高于电子的总能量，它们也有非零概率穿过势垒。

STM的工作原理是用一个非常靠近导电试样表面的锋利导电探针扫描，并迫使电子穿过它们之间的间隙。当尖端足够接近表面(通常小于1纳米)时，尖端第一个原子的模糊电子云与表面开始重叠。在尖端和表面之间施加偏置电压会产生电流，因为电子被驱动从尖端穿过势垒，通过重叠的电子云到达表面。这种隧穿电流对探针尖端与表面之间的间隙高度敏感，随探针尖端-样品距离呈指数变化。当尖端逐行扫描样品表面时，隧穿电流的强度映射出样品状态的电子密度。

STM有两种不同的工作模式:定高模式而且恒流模式．当样品表面非常光滑时，通常使用恒高模式。在这种模式下，探头尖端停留在一个设定的高度，同时快速光栅扫描整个样本。通过测量隧穿电流强度的变化作为(x,y)位置和偏置电压的函数，研究人员可以构建样品表面、缺陷、前沿分子轨道等状态的电子密度图像。

更流行的模式被称为恒流模式。在这种模式下，通过使用反馈回路系统来调节尖端和表面之间的距离，隧道电流保持恒定。也就是说，如果隧穿电流超过目标值，反馈控制系统将增加尖端与样品之间的距离;如果隧道电流小于目标电流值，反馈控制系统将使尖端更接近样品表面。由此得到的三维距离剖面作为(x,y)位置的函数，可以帮助研究人员测量一系列广泛的特征，包括表面粗糙度，缺陷，以及表面分子的大小和构象。

STM可以在各种不同的环境条件下工作。通常，STMs被分为环境STMs或超高真空(UHV) STMs。环境STMs通常在接近室温的空气或其他气体中工作。有了专门的绝缘针尖，环境AFMs也可以在液体中工作。狗万正网地址牛津仪器庇护研究提供环境STM功能MFP-3D spm而且数码spm．

特高压STMs显然不同，因为它们在很高的真空下工作。这通常是在高度专业化的特高压系统中完成的，其中样品被培养或蚀刻，然后成像原位．它们在真空中的工作使它们能够在非常宽的温度范围内工作，从接近零开尔文到超过1000°C。庇护研究公司不提供特高压STMs，但牛津仪器纳米科学小组生产狗万正网地址特高压设备有时与STM一起使用．

STM在研究中的用途是什么?

自从它被发现以来，STM负责纳米技术的重大突破，并使包括半导体科学、电化学、表面化学等在内的各个学科的新研究成为可能。

最初，STM被用于表征不同金属的拓扑结构，并描绘其表面的原子结构。研究人员第一次能够辨别材料的原子尺度性质，包括表面粗糙度、缺陷和表面反应机制。通过研究材料的原子晶格，研究人员可以开始了解与电子元件制造相关的特性，包括电导率、前沿分子轨道的分布及其能量，以及对晶体facet取向的反应依赖，等等。

多年来，STM开始用于原子尺度成像以外的各种应用。万博电脑网页版登录它被用来组装和操纵表面上的单个原子。这为纳米技术开辟了新的前景，包括产生纳米结构，如量子围栏和分子开关。通过将金属(如金、银或钨)按指定的模式沉积在STM中，纳米器件上的触点也可以被构造出来。研究人员还利用STM诱导化学反应，并在分子水平上研究后续反应机制。

环境STMs通常用于研究表面自组装分子的结构，因为它们通常可以解析单分子甚至亚分子结构。例如，下图清楚地显示了在HOPG上自组装的单分子层中的5-十八氧异二甲酸。

高取向热解石墨上自组装5-十八氧异二甲酸单分子层的STM图像。
分子模型被叠加以强调分子的有序性。Cypher AFM 15纳米扫描成像。样本由诺丁汉大学马特·布朗特提供。

最近，小电流STM被应用在Cypher ES上，用于解析HOPG上自组装的八乙基卟啉镍(NiOEP)层中的单分子能级细节。通过允许STM在低至300飞安的隧道电流下工作，低电流成像能力可以提供更高的分辨率。下面的图像显示恒定高度的STM图像，但是完整的应用说明演示了在恒流STM模式下类似的分辨率．虽然Cypher使用STM提供了特殊的分辨率，但值得注意的是使用轻拍模式原子力显微镜(AFM)的Cypher实际上可以与分辨率相媲美．

HOPG上NiOEP二维晶格的恒定高度STM电流图像
(A) 50 nm测量扫描显示NiOEP晶界(白色箭头)，缩放区域和moiré模式成像6.4 pA设定值。(B) 300fa设定值下10 nm区域放大成像。(C)放大的5纳米区域显示亚纳米分子分辨率成像，设定点为60 pA。插图:NiOEP的CPK分子模型。

参考文献

1. 宾尼格，G.和罗勒，H.(1983)。扫描隧道显微镜。地球物理学报，32(3)，447 - 447。
2. 陈,朱利安。(1994)。扫描隧道显微镜导论:第二版。美国物理杂志