1 掃描隧道顯微鏡（STM） [1，2] !3oK
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掃描隧道顯微鏡（STM）的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。隧道電流 I 是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離 S 和平均功函數(shù) Φ 有關(guān)： n:U>Fj>q  
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V b是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，平均功函數(shù)，Φ1Φ2 分別為針尖和樣品的功函數(shù)， A 為常數(shù)，在真空條件下約等于1。掃描探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲，如鎢絲、鉑―銥絲等；被觀測(cè)樣品應(yīng)具有一定導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。 qQxz(}REu9  
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由上式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離 S 減小0.1nm，隧道電流 I 將增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表面的起伏，見(jiàn)圖1(a)。將針尖在樣品表面掃描時(shí)運(yùn)動(dòng)的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來(lái)，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。這種掃描方式可用于觀察表面形貌起伏較大的樣品，且可通過(guò)加在 z 向驅(qū)動(dòng)器上的電壓值推算表面起伏高度的數(shù)值，這是一種常用的掃描模式。對(duì)于起伏不大的樣品表面，可以控制針尖高度守恒掃描，通過(guò)記錄隧道電流的變化亦可得到表面態(tài)度的分布。這種掃描方式的特點(diǎn)是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對(duì)信號(hào)的影響，但一般不能用于觀察表面起伏大于1nm的樣品。 `>D9P_Y"jI  
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從式可知，在 V b 和 I 保持不變的掃描過(guò)程中，如果功函數(shù)隨樣品表面的位置而異，也同樣會(huì)引起探針與樣品表面間距 S 的變化，因而也引起控制針尖高度的電壓 V z 的變化。如樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時(shí)，由于不同種類的原子或分子團(tuán)等具有不同的電子態(tài)密度和功函數(shù)，此時(shí) 掃描隧道顯微鏡(STM) 給出的等電子態(tài)密度輪廓不再對(duì)應(yīng)于樣品表面原子的起伏，而是表面原子起伏與不同原子和各自態(tài)密度組合后的綜合效果。 掃描隧道顯微鏡(STM) 不能區(qū)分這兩個(gè)因素，但用掃描隧道譜（STS）方法卻能區(qū)分。利用表面功函數(shù)、偏置電壓與隧道電流之間的關(guān)系，可以得到表面電子態(tài)和化學(xué)特性的有關(guān)信息。 ZX b}91rzt  
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如前所述， 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，使它在研究物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)、生物樣品及微電子技術(shù)等領(lǐng)域中成為很有效的實(shí)驗(yàn)工具。例如生物學(xué)家們研究單個(gè)的蛋白質(zhì)分子或DNA分子；材料學(xué)家們考察晶體中原子尺度上的缺陷；微電子器件工程師們?cè)O(shè)計(jì)厚度僅為幾十個(gè)原子的電路圖等，都可利用 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器。在 掃描隧道顯微鏡(STM) 問(wèn)世之前，這些微觀世界還只能用一些煩瑣的、往往是破壞性的方法來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。而 掃描隧道顯微鏡(STM) 則是對(duì)樣品表面進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，避免了使樣品發(fā)生變化，也無(wú)需使樣品受破壞性的高能輻射作用。另外，任何借助透鏡來(lái)對(duì)光或其它輻射進(jìn)行聚焦的顯微鏡都不可避免的受到一條根本限制：光的衍射現(xiàn)象。由于光的衍射，尺寸小于光波長(zhǎng)一半的細(xì)節(jié)在顯微鏡下將變得模糊。而 掃描隧道顯微鏡(STM) 則能夠輕而易舉地克服這種限制，因而可獲得原子級(jí)的高分辨率。表1列出了 掃描隧道顯微鏡(STM) 與EM、FIM的幾項(xiàng)綜合性能指標(biāo)，讀者從這些性能指標(biāo)對(duì)比中可體會(huì)到 掃描隧道顯微鏡(STM) 儀器的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。 w W$(r-  
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從掃描隧道顯微鏡(STM)的工作原理可知，在掃描隧道顯微鏡(STM)觀測(cè)樣品表面的過(guò)程中，掃描探針的結(jié)構(gòu)所起的作用是很重要的。如針尖的曲率半徑是影響橫向分辨率的關(guān)鍵因素；針尖的尺寸、形狀及化學(xué)同一性不僅影響到STM圖象的分辨率，而且還關(guān)系到電子結(jié)構(gòu)的測(cè)量。因此，精確地觀測(cè)描述針尖的幾何形狀與電子特性對(duì)于實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的評(píng)估有重要的參考價(jià)值。掃描隧道顯微鏡(STM)的研究者們?cè)�采用了一些其它技術(shù)手段來(lái)觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖的微觀形貌，如SEM、TEM、FIM等。SEM一般只能提供微米或亞微米級(jí)的形貌信息，顯然對(duì)于原子級(jí)的微觀結(jié)構(gòu)觀察是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。雖然用高分辨TEM可以得到原子級(jí)的樣品圖象，但用于觀察掃描隧道顯微鏡(STM)針尖則較為困難，而且它的原子級(jí)分辨率也只是勉強(qiáng)可以達(dá)到。只有FIM能在原子級(jí)分辨率下觀察掃描隧道顯微鏡(STM)金屬針尖的頂端形貌，因而成為掃描隧道顯微鏡(STM)針尖的有效觀測(cè)工具。日本Tohoku大學(xué)的櫻井利夫等人利用了FIM的這一優(yōu)勢(shì)制成了FIM-STM聯(lián)用裝置(研究者稱之為FI-STM) [3] ，可以通過(guò)FIM在原子級(jí)水平上觀測(cè)掃描隧道顯微鏡(STM)掃描針尖的幾何形狀，這使得人們能夠在確知掃描隧道顯微鏡(STM)針尖狀態(tài)的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而提高了使用掃描隧道顯微鏡(STM)儀器的有效率。 :^C'<SY2Gs  
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掃描隧道顯微鏡(STM) 在化學(xué)中的應(yīng)用研究雖然只進(jìn)行了幾年，但涉及的范圍已極為廣泛。因?yàn)?掃描隧道顯微鏡(STM) 的最早期研究工作是在超高真空中進(jìn)行的，因此最直接的化學(xué)應(yīng)用是觀察和記錄超高真空條件下金屬原子在固體表面的吸附結(jié)構(gòu)。在化學(xué)各學(xué)科的研究方向中，電化學(xué)可算是很活躍的領(lǐng)域，可能是因?yàn)殡娊獬嘏c 掃描隧道顯微鏡(STM) 裝置的相似性所致。同時(shí)對(duì)相界面結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)也是電化學(xué)家們長(zhǎng)期關(guān)注的課題。專用于電化學(xué)研究的 掃描隧道顯微鏡(STM) 裝置已研制成功。 h5|.Et  
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在有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的研究中，高分辨率的 掃描隧道顯微鏡(STM) 三維直觀圖象是一種極為有用的工具。此法已成功地觀察到苯在Rh(111)表面的單層吸附，并顯示清晰的Kekule環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在生物學(xué)領(lǐng)域， 掃描隧道顯微鏡(STM) 已用來(lái)直接觀察DNA、重組DNA及HPI-蛋白質(zhì)等在載體表面吸附后的外形結(jié)構(gòu)。 yy2Ie  
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可以預(yù)測(cè)，對(duì)于許多溶液相的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究，如能移置到載體表面進(jìn)行， 掃描隧道顯微鏡(STM) 也不失為一個(gè)可以嘗試的測(cè)試手段，通過(guò)它可觀察到原子間轉(zhuǎn)移的直接過(guò)程。對(duì)于膜表面的吸附和滲透過(guò)程， 掃描隧道顯微鏡(STM) 方法可能描繪出較為詳細(xì)的機(jī)理。這一方法在操作上和理解上簡(jiǎn)單直觀，獲得數(shù)據(jù)后無(wú)需作任何繁瑣的后續(xù)數(shù)據(jù)處理就可直接顯示或繪圖，而且適用于很多介質(zhì)，因此將會(huì)在其應(yīng)用研究領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。 < /p8r  
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繼掃描隧道顯微鏡(STM)之后，各國(guó)科技工作者在掃描隧道顯微鏡(STM)原理基礎(chǔ)上又發(fā)明了一系列新型顯微鏡 [4] 。它們包括 ：原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM，在1956年設(shè)想基礎(chǔ)上的改進(jìn)）和光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）等。這些新型顯微鏡的發(fā)明為探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、熱量散失、離子流量、表面摩擦力以及在擴(kuò)大可測(cè)樣品范圍方面提供了有力的工具。近幾年來(lái)，在把STM與EM、FIM以及AFM、LEED等其它表面分析手段聯(lián)用方面，也取得了可喜的進(jìn)展。目前最小的掃描隧道顯微鏡(STM)尺寸僅為125 μ m，而最大的掃描范圍可達(dá)100 μ m。 $2z _{@Z  
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2 STM的局限性與發(fā)展 [5] t~K%.|'0  
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盡管掃描隧道顯微鏡(STM) 有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見(jiàn)的。這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 6R}j-1 <n  
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