掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，縮寫為STM），亦稱為掃描穿隧式顯微鏡，是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。它于1981年由格爾德·賓寧及海因里希·羅雷爾在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，兩位發(fā)明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

它作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學(xué)家觀察和定位單個(gè)原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針**精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測(cè)量工具又是加工工具。

基本結(jié)構(gòu)

　　 　　由于儀器中要控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為x-y-z掃描控制器件。

　　壓電陶瓷利用了壓電現(xiàn)象。所謂的壓電現(xiàn)象是指某種類型的晶體在受到機(jī)械力發(fā)生形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，或給晶體加一電場(chǎng)時(shí)晶體會(huì)產(chǎn)生物理形變的現(xiàn)象。許多化合物的單晶，如石英等都具有壓電性質(zhì)，但目前廣泛采用的是多晶陶瓷材料，例如鈦酸鋯酸鉛[Pb(Ti,Zr)O3](簡(jiǎn)稱PZT)和鈦酸鋇等。壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。

　　用壓電陶瓷材料制成的三維掃描控制器主要有以下幾種

　?、偃_架型，由三根獨(dú)立的長(zhǎng)棱柱型壓電陶瓷材料以相互正交的方向結(jié)合在一起，針尖放在三腳架的頂端，三條腿獨(dú)立地伸展與收縮，使針尖沿x-y-z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

　?、趩喂苄停沾晒艿耐獠侩姌O分成面積相等的四份，內(nèi)壁為一整體電極，在其中一塊電極上施加電壓，管子的這一部分就會(huì)伸展或收縮(由電壓的正負(fù)和壓電陶瓷的極化方向決定)，導(dǎo)致陶瓷管向垂直于管軸的方向彎曲。通過(guò)在相鄰的兩個(gè)電極上按一定順序施加電壓就可以實(shí)現(xiàn)在x-y方向的相互垂直移動(dòng)。在z方向的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)在管子內(nèi)壁電極施加電壓使管子整體收縮實(shí)現(xiàn)的。管子外壁的另外兩個(gè)電極可同時(shí)施加相反符號(hào)的電壓使管子一側(cè)膨脹，相對(duì)的另一側(cè)收縮，增加掃描范圍，亦可以加上直流偏置電壓，用于調(diào)節(jié)掃描區(qū)域。

　?、凼旨芘浜蠁喂苄?，z方向的運(yùn)動(dòng)由處在“十”字型中心的一個(gè)壓電陶瓷管完成，x和y掃描電壓以大小相同、符號(hào)相反的方式分別加在一對(duì)x、-x和y、-y上。這種結(jié)構(gòu)的x-y掃描單元是一種互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，可以在一定程度上補(bǔ)償熱漂移的影響。

　　除了使用壓電陶瓷，還有一些三維掃描控制器使用螺桿、簧片、電機(jī)等進(jìn)行機(jī)械調(diào)控。 　　

　　 　　由于儀器工作時(shí)針尖與樣品的間距一般小于1nm，同時(shí)隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動(dòng)都會(huì)對(duì)儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動(dòng)是震動(dòng)和沖擊，其中震動(dòng)隔絕是*主要的。隔絕震動(dòng)主要從考慮外界震動(dòng)的頻率與儀器的固有頻率入手。 　　
電子學(xué)控制系統(tǒng)
　　 　　掃描隧道顯微鏡是一個(gè)納米級(jí)的隨動(dòng)系統(tǒng)，因此，電子學(xué)控制系統(tǒng)也是一個(gè)重要的部分。掃描隧道顯微鏡要用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后要不斷采集隧道電流，在恒電流模式中還要將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過(guò)反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，從而保持隧道電流的穩(wěn)定。所有這些功能，都是通過(guò)電子學(xué)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖1給出了掃描隧道顯微鏡電子學(xué)控制控制系統(tǒng)的框圖。 　　

　　在掃描隧道顯微鏡的軟件控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)軟件所起的作用主要分為“在線掃描控制”和“離線數(shù)據(jù)分析”兩部分。

　　在線掃描控制

　?、賲?shù)設(shè)置功能

　　在掃描隧道顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)軟件主要實(shí)現(xiàn)掃描時(shí)的一些基本參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)，以及獲得、顯示并記錄掃描所得數(shù)據(jù)圖象等。計(jì)算機(jī)軟件將通過(guò)計(jì)算機(jī)接口實(shí)現(xiàn)與電子設(shè)備間的協(xié)調(diào)共同工作。在線掃描控制中一些參數(shù)的設(shè)置功能如下：

　　⑴“電流設(shè)定”的數(shù)值意味著恒電流模式中要保持的恒定電流，也代表著恒電流掃描過(guò)程中針尖與樣品表面之間的恒定距離。該數(shù)值設(shè)定越大，這一恒定距離也越小。測(cè)量時(shí)“電流設(shè)定”一般在“0.5-1.0nA” 范圍內(nèi)。

　?、啤搬樇馄珘骸笔侵讣釉卺樇夂蜆悠分g、用于產(chǎn)生隧道電流的電壓真實(shí)值。這一數(shù)值設(shè)定越大，針尖和樣品之間越容易產(chǎn)生隧道電流，恒電流模式中保持的恒定距離越小，恒高度掃描模式中產(chǎn)生的隧道電流也越大?！搬樇馄珘骸敝狄话阍O(shè)定在“50-100mV”范圍左右。

　?、恰癦電壓”是指加在三維掃描控制器中壓電陶瓷材料上的真實(shí)電壓。Z電壓的初始值決定了壓電陶瓷的初始狀態(tài)，隨著掃描的進(jìn)行，這一數(shù)值要發(fā)生變化?！癦電壓”在探針遠(yuǎn)離樣品時(shí)的初始值一般設(shè)定在“-150.0mV— -200.0mV”左右。

　?、取安杉繕?biāo)”包括“高度”和“隧道電流”兩個(gè)選項(xiàng)，選擇掃描時(shí)采集的是樣品表面高度變化的信息還是隧道電流變化的信息。

 　?、伞拜敵龇绞健睕Q定了將采集到的數(shù)據(jù)顯示成為圖象還是顯示成為曲線。

　?、省皰呙杷俣取笨梢钥刂铺结槖呙钑r(shí)的延遲時(shí)間，該值越小，掃描越快。

　　⑺“角度走向”是指探針?biāo)揭苿?dòng)的偏轉(zhuǎn)方向，改變角度的數(shù)值，會(huì)使掃描得到的圖象發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

　?、獭俺叽纭笔窃O(shè)置探針掃描區(qū)域的大小，其調(diào)節(jié)的*大值有量程決定。尺寸越小，掃描的精度也越高，改變尺寸的數(shù)值可以產(chǎn)生掃描圖象的放大與縮小的作用。

　?、汀爸行钠啤笔侵笒呙璧钠鹗嘉恢门c樣品和針尖剛放好時(shí)的偏移距離，改變中心偏移的數(shù)值能使針尖發(fā)生微小尺度的偏移。中心偏移的*大偏移量是當(dāng)前量程決定的*大尺寸。

　　⑽ “工作模式”決定掃描模式是恒電流模式還是恒高度模式。

　?、?“斜面校正”是指探針沿著傾斜的樣品表面掃描時(shí)所做的軟件校正。

　?、?“往復(fù)掃描”決定是否進(jìn)行來(lái)回往復(fù)掃描。

　?、选傲砍獭笔窃O(shè)置掃描時(shí)的探測(cè)精度和*大掃描尺寸的大小。

　　這些參數(shù)的設(shè)置除了利用在線掃描軟件外，利用電子系統(tǒng)中的電子控制箱上的旋鈕也可以設(shè)置和調(diào)節(jié)這些參數(shù)[1]。

　　②馬達(dá)控制

　　當(dāng)使用軟件控制馬達(dá)使針尖逼近樣品時(shí)，首先要確保電動(dòng)馬達(dá)控制器的紅色按鈕處于彈起狀態(tài)，否則探頭部分只受電子學(xué)控制系統(tǒng)控制，計(jì)算機(jī)軟件對(duì)馬達(dá)的控制不起作用。馬達(dá)控制軟件將控制電動(dòng)馬達(dá)以一個(gè)微小的步長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使針尖緩慢靠近樣品，直到進(jìn)入隧道區(qū)為止。

　　馬達(dá)控制的操作方式為：“馬達(dá)控制”選擇“進(jìn)”，點(diǎn)擊“連續(xù)”按鈕進(jìn)行連續(xù)逼近，當(dāng)檢測(cè)到的隧道電流達(dá)到一定數(shù)值后，計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)行警告提示，并自動(dòng)停止逼近，此時(shí)單擊“單步”按鈕，直到“Z電壓”的數(shù)值接近零時(shí)停止逼近，完成馬達(dá)控制操作。 　　離線數(shù)據(jù)分析

　　離線數(shù)據(jù)分析是指脫離掃描過(guò)程之后的針對(duì)保存下來(lái)的圖象數(shù)據(jù)的各種分析與處理工作。常用的圖象分析與處理功能有：平滑、濾波、傅立葉變換、圖象反轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、三維生成等。

　?、牌交?，平滑的主要作用是使圖象中的高低變化趨于平緩，消除數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)生突變的情況。

　　⑵濾波，濾波的基本作用是可將一系列數(shù)據(jù)中過(guò)高的削低、過(guò)低的添平。因此，對(duì)于測(cè)量過(guò)程中由于針尖抖動(dòng)或其它擾動(dòng)給圖象帶來(lái)的很多毛刺，采用濾波的方式可以大大消除。

　?、歉盗⑷~變換，快速傅立葉變換對(duì)于研究原子圖象的周期性時(shí)很有效。

　?、葓D象反轉(zhuǎn)，將圖象進(jìn)行黑白反轉(zhuǎn)，會(huì)帶來(lái)意想不到的視覺效果。

　?、蓴?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方式對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

　?、嗜S生成，根據(jù)掃描所得的表面型貌的二維圖象，生成直觀美麗的三維圖象。

　　大多數(shù)的軟件中還提供很多其它功能，綜合運(yùn)用各種數(shù)據(jù)處理手段，*終得到自己滿意的圖象

掃描

STM工作時(shí)，探針將充分接近樣品產(chǎn)生一高度空間限制的電子束，因此在成像工作時(shí)，STM具有極高的空間分辯率，可以進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。 　　
探傷及修補(bǔ)
　　 　　STM在對(duì)表面進(jìn)行加工處理的過(guò)程中可實(shí)時(shí)對(duì)表面形貌進(jìn)行成像，用來(lái)發(fā)現(xiàn)表面各種結(jié)構(gòu)上的缺陷和損傷，并用表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷連線，以消除缺陷，達(dá)到修補(bǔ)的目的，然后還可用STM進(jìn)行成像以檢查修補(bǔ)結(jié)果的好壞。

微觀操作

STM在場(chǎng)發(fā)射模式時(shí)，針尖與樣品仍相當(dāng)接近，此時(shí)用不很高的外加電壓（*低可到10V左右）就可產(chǎn)生足夠高的電場(chǎng)，電子在其作用下將穿越針尖的勢(shì)壘向空間發(fā)射。這些電子具有一定的束流和能量，由于它們?cè)诳臻g運(yùn)動(dòng)的距離極小，至樣品處來(lái)不及發(fā)散，故束徑很小，一般為毫微米量級(jí)，所以可能在毫微米尺度上引起化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

　　用STM移動(dòng)氙原子排出的“IBM”圖案移動(dòng)，刻寫樣品

　　當(dāng)STM在恒流狀態(tài)下工作時(shí)，突然縮短針尖與樣品的間距或在針尖與樣品的偏置電壓上加一脈沖，針尖下樣品表面微區(qū)中將會(huì)出現(xiàn)毫微米級(jí)的坑、丘等結(jié)構(gòu)上的變化。針尖進(jìn)行刻寫操作后一般并未損壞，仍可用它對(duì)表面原子進(jìn)行成像，以實(shí)時(shí)檢驗(yàn)刻寫結(jié)果的好壞。

　　移動(dòng)針尖進(jìn)行刻寫的辦法主要有兩種

　?、僭诜答侂娐氛９ぷ鲿r(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)參考電流或偏置電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)針尖與樣品間的接觸電阻，達(dá)到控制針尖移動(dòng)的目的。當(dāng)加大參考電流或減小偏壓時(shí)為保證恒流工作，反饋將控制針尖移向樣品，從而減小接觸電阻。

　?、诋?dāng)STM處于隧道狀態(tài)時(shí)，固定反饋線路的輸出信號(hào)，關(guān)閉反饋，然后通過(guò)改變控制Z向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷上所加電壓的大小來(lái)改變針尖與樣品的間距，這種方法較前者能夠更線性地控制隧道結(jié)寬度的變化，相對(duì)來(lái)說(shuō)是較為理想的辦法。

　　刻寫的結(jié)果與針尖的清潔程度有密切關(guān)系。已經(jīng)污染的針尖接觸表面后將產(chǎn)生一小坑；未使用過(guò)的清潔的針尖接觸表面則產(chǎn)生一小丘。清潔針尖在表面上產(chǎn)生小丘的原因是由于它與表面有粘接現(xiàn)象，此時(shí)若想使針尖與樣品的間距恢復(fù)到與表面接觸前的情況，針尖必須退回更多，這從另一個(gè)角度說(shuō)明針尖的粘接已使表面產(chǎn)生一凸起部分。針尖的污染將會(huì)阻止它對(duì)表面的粘接，故使用過(guò)的針尖接觸表面后將會(huì)刻出一個(gè)小坑，坑的周圍還會(huì)有原先在坑內(nèi)的原子翻出堆成的凸起邊緣。

　　室溫下在Au及Ag等金屬表面上刻寫出的微細(xì)結(jié)構(gòu)在室溫下總是不穩(wěn)定的，由于金屬原子的擴(kuò)散，這些結(jié)構(gòu)*多在幾小時(shí)內(nèi)就會(huì)模糊以至消失。

 　　在其他材料如Si(110)、Si(100)等表面上運(yùn)用STM刻出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)卻是可能的?？虒憰r(shí)，針尖向樣品移進(jìn)2nm時(shí)，小坑深（從邊緣算起）0.7nm。在室溫條件下及*高真空中，這些圖形具有高穩(wěn)定性，經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間后亦不發(fā)生變化。

　　STM可在金屬玻璃上進(jìn)行刻寫操作，小丘的大小隨偏壓的增加而增加。產(chǎn)生小丘的原因通常認(rèn)為是由于高電流密度引起了襯底的局部熔化，這些熔化物質(zhì)在針尖負(fù)偏壓產(chǎn)生的靜電場(chǎng)作用下，會(huì)形成一突起的泰勒錐，電流去掉后，這個(gè)錐立即冷卻下來(lái)，在表面上形成一小丘……并不是所有的表面都可如此形成小丘的。襯底的熔點(diǎn)決定了局部熔化時(shí)所需的熱量；對(duì)于點(diǎn)源電子束，襯底實(shí)際獲取熱量不僅與電流密度有關(guān)，還取決于電子在其中的平均自由程及所用襯底的熱傳導(dǎo)系數(shù)；對(duì)于無(wú)序的金屬化玻璃Rh25Zr75，由于電子在其中的平均自由程較晶體及多晶金屬小一百倍，且熔點(diǎn)不是非常高，為1340K，因此電子束入射時(shí)其獲取熱量較多，相對(duì)較易被熔化，故容易在其上如此形成小丘

**性

與其他表面分析技術(shù)相比，STM具有如下**的優(yōu)點(diǎn)

　?、倬哂性蛹?jí)高分辨率，STM 在平行于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá) 0.1 nm 和 0.01 nm，即可以分辨出單個(gè)原子。

　?、诳蓪?shí)時(shí)得到實(shí)空間中樣品表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)的研究，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。

　?、劭梢杂^察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。

　?、芸稍谡婵?、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，樣品甚至可浸在水和其他溶液中 不需要特別的制樣技術(shù)并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷．這些特點(diǎn)特別適用于研究生物樣品和在不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)于多相催化機(jī)理、*一身地創(chuàng)、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。

　　⑤ 配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息，例如表面不同層次的態(tài)密度。表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。

　　⑥利用STM針尖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)原子和分子的移動(dòng)和操縱，這為納米科技的全面發(fā)展奠定了基礎(chǔ)

局限性

盡管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的。這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面

　?、賁TM的恒電流工作模式下，有時(shí)它對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差。在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會(huì)有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測(cè)*細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時(shí)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

　?、赟TM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測(cè)的效果就差于導(dǎo)體；對(duì)于絕緣體則根本無(wú)法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問(wèn)題又限制了圖象對(duì)真實(shí)表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)STM這方面的不足。

　　此外，在目前常用的（包括商品）STM儀器中，一般都沒有配備FIM，因而針尖形狀的不確定性往往會(huì)對(duì)儀器的分辨率和圖象的認(rèn)證與解釋帶來(lái)許多不確定因素