扫描隧道显微镜有什么应用？
2024-11-19 阅读 11
更新于 2024年11月21日
1982 年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛・宾尼博士和海・罗雷尔博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器 —— 扫描隧道显微镜 (STM)。它的出现，被国际公认为 80 年代世界十大科技成就之一。为此，1986 年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。
扫描隧道显微镜的基本工作原理是基于量子力学中的量子隧穿效应。当一个极细的尖针（针尖部为单个原子）接近样品表面，距离小于 1 纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定，并使针尖沿样品表面进行精确的三维移动，就可将表面形貌和表面电子态等有关信息记录下来。
扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达 0.1 纳米，纵向可优于 0.01 纳米。这使得它能够在纳米尺度上研究物质的特性，描绘表面三维的原子结构图。同时，利用扫描隧道显微镜还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的刻蚀、修饰及直接书写等。
量子隧穿效应可以通过一维方势垒模型来解释。当电子从势垒的左侧向右侧运动时，即使电子的能量低于势垒的高度，由于粒子存在波动性，电子仍有一定的几率穿过能量势垒而被观察到。这种效应使得扫描隧道显微镜对表面的微小形貌变化十分敏感，能够探测到样品表面的原子排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。
二、在材料科学领域的应用
（一）研究新型纳米材料
扫描隧道显微镜在研究新型纳米材料方面具有不可替代的作用。它能够以极高的分辨率观察新型纳米材料的原子结构，为新材料的研发提供关键信息。例如，通过扫描隧道显微镜，科学家可以清晰地看到纳米材料的表面形貌、原子排列方式以及电子态分布等。这些信息对于设计和优化新型纳米材料的性能至关重要。例如，在研究纳米碳材料时，扫描隧道显微镜可以揭示其独特的碳原子排列结构，如石墨烯的二维蜂窝状结构。这种高分辨率的观察有助于深入理解纳米材料的物理和化学性质，为开发具有特定性能的新型纳米材料提供指导。
（二）研究催化剂和超导材料
在催化剂研究方面，扫描隧道显微镜可以帮助科学家深入了解催化剂的表面结构和活性位点。通过对催化剂表面原子结构的高分辨率成像，研究人员可以确定催化剂的活性中心，了解催化反应在原子尺度上的发生机制。例如，在研究金属催化剂时，扫描隧道显微镜可以观察到金属原子的分布和排列方式，以及反应物分子在催化剂表面的吸附和解离过程。这有助于优化催化剂的设计，提高催化效率。
在超导材料研究中，扫描隧道显微镜也发挥着重要作用。它可以测量超导材料的能隙、磁通涡旋成像以及准粒子干涉等。例如，陈曦教授的研究中，扫描隧道显微镜在常规超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体研究中有重要应用，揭示了钾铁硒超导体中存在相分离的直接证据，并发现了一个超导的 two-leg ladder 体系。王亚愚研究组利用扫描隧道显微镜对欠掺杂的 NaFe1 - xCoxAs 铁基高温超导体进行研究，证实了自旋密度波和超导相在空间上微观共存，为进一步确定铁基超导序参量对称性和配对机制提供了新的线索。此外，基于锁相放大器的扫描隧道显微镜在超导薄膜中的应用也得到了验证，该装置能够有效地测量超导薄膜的抗磁响应以及 STM 和 4PP 电传输测量，为研究新型低维材料的本征超导性提供了有力手段。
