扫描隧道显微镜有什么应用？
2024-11-19 阅读 80
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。
三、在生物学领域的应用
（一）观察生物大分子结构
扫描隧道显微镜在生物学领域的一大重要应用就是观察生物大分子的结构。1986 年，GBinnig 等首次用 STM 观察到放在碳膜上的 DNA 样品，获得放大约 500000 倍的图像，图上可以看到一条很长的 “Z” 字形凹陷，其上的每一个重复周期长度约为 3.5nm，这与 DNA 双螺旋的螺距大致相等。此后，众多科学家利用扫描隧道显微镜对 DNA 进行了深入研究，如 1989 年初，美国 Livermore Lawrence 实验室的 Beebe 等人把溶于盐溶液的双链 DNA 铺展石墨衬底上，干燥后通过 STM 获得大气环境下 DNA 戊糖链的双螺旋图像，其螺距介于 27×10⁻¹⁰m 与 63×10⁻¹⁰m 之间，从该图能识别出 DNA 的大沟和小沟。北京大学物理系和生物系也用自制的 STM 观察到金衬底上水相下双螺旋的 DNA，其形貌和尺度与理论都符合得很好。
对于蛋白质分子，1989 年 Reinhard 等人用 STM 观察到一种细菌细胞壁上呈六角形规则排列的蛋白质，在他们得到的 STM 图中可以十分清晰地分辨出六角形蛋白质复合物中心约有 3nm 大小的孔。1990 年，Stuart Hamerooff 等用 STM 对细胞质骨架的两种成分微管和中间纤维作了研究，从所得到的 STM 图中可以看到重组装的微管由 5 - 6 根直径为 4.5nm 左右的原丝组成。用 STM 对中间纤维进行观察，可以分辨出直径为 10nm 的结构，它们是由周期为 6 - 12nm 的螺旋组成。1991 年，King Lun Yeung 等用 STM 看到一种脂蛋白，从 STM 图中可以看到由两条直径为 9 - 12nm 球形物组成的线状结构。同年，Lorie Haggerty 等用高浓度的溶菌酶和牛胰凝乳蛋白酶原 A 在石墨上沉积的方法使它们形成二维有序排列，观察到较高浓度的溶菌酶在石墨上形成周期为 4nm 的长程有序排列结构，较低浓度的溶菌酶在石墨上仍可形成松散排列的有序结构，但周期变为 8nm。同样，牛胰凝乳蛋白酶原 A 在石墨上也可形成有序排列。1990 年，北京大学物理系和生物系合作用 STM 看到甘油水覆盖下角蛋白分子，在所得到的图中有一些长为几十纳米的条状结构，这是角蛋白多肽链的骨架，而且沿着纤维的走向可以辩认出角蛋白分子的主链和侧链。
通过扫描隧道显微镜，科学家们可以直接观察到生物大分子的原子布阵，深入理解其结构，从而进一步研究其功能和相互作用。
（二）研究疾病机制
在医学领域，扫描隧道显微镜可用于研究疾病的发生和发展机制，帮助科学家开发新的治疗方法。例如，利用扫描隧道显微镜可以观察癌细胞的结构，帮助医生更好地理解癌症的性质和行为。细胞的凋亡与肿瘤之间关系密切，电镜技术在细胞凋亡的研究中也具有重要作用。运用扫描隧道显微镜观察细胞超微结构的病理变化及细胞凋亡的情况，对于深入认识肿瘤的发病机制、生物学特性以及其发展预后具有重要意义。
此外，扫描隧道显微镜还可以用于研究其他疾病的发生机制。例如，在研究某些遗传性疾病时，通过观察患者细胞中的生物大分子结构变化，可以帮助科学家确定致病基因的位置和功能，为开发新的治疗方法提供线索。在研究传染病时，扫描隧道显微镜可以观察病原体与宿主细胞之间的相互作用，帮助科学家了解病原体的入侵机制和宿主的免疫反应，为开发新的疫苗和治疗药物提供依据。
四、在环境科学领域的应用
（一）研究污染物分布
扫描隧道显微镜在环境科学领域中，能够帮助科学家精确地研究污染物的分布情况。例如，对于重金属污染，扫描隧道显微镜可以在纳米尺度上观察到土壤或水体中重金属颗粒的分布和聚集状态。通过对这些微观结构的分析，研究人员可以更好地了解重金属在环境中的迁移转化规律，为制定有效的污染治理策略提供依据。据相关研究表明，在某些受污染的土壤样本中，扫描隧道显微镜能够清晰地分辨出纳米级别的重金属颗粒，其分辨率可达原子级别，能够准确地确定颗粒的大小、形状和化学组成。
（二）研究自然环境中物质表面结构
扫描隧道显微镜还可以用于研究自然环境中其他物质的表面结构。例如，在研究岩石表面的风化过程时，扫描隧道显微镜可以观察到岩石表面的微小裂缝和孔隙结构，以及这些结构在不同环境条件下的变化情况。这有助于科学家了解岩石的风化机制，以及风化过程对环境的影响。此外，扫描隧道显微镜还可以用于研究水体表面的微结构，如水面薄膜的形成和稳定性等。这些研究对于理解水体的自净能力和生态系统的稳定性具有重要意义。
总之，扫描隧道显微镜在环境科学领域中具有广泛的应用前景。它为科学家提供了一种强大的工具，可以在纳米尺度上研究污染物的分布和自然环境中物质的表面结构，为环境保护和可持续发展提供重要的科学依据。
五、其他应用领域
（一）微观操作与化学反应
扫描隧道显微镜（STM）在场发射模式时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到 10V 左右）就可产生足够高的电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米尺度上引起化学键断裂，发生化学反应。例如，在某些特定的实验条件下，STM 可以用于研究化学反应的动力学过程，观察分子在表面的吸附、扩散和反应等微观行为。通过控制针尖与样品之间的距离和电压，可以精确地调控化学反应的发生和进程，为微观化学反应的研究提供了有力的工具。
（二）探伤及修补
STM 在对表面进行加工处理的过程中可实时对表面形貌进行成像，用来发现表面各种结构上的缺陷和损伤。利用表面淀积和刻蚀等方法建立或切断连线，以消除缺陷，达到修补的目的。然后还可用 STM 进行成像以检查修补结果的好坏。例如，在微电子领域，STM 可以用于检测芯片表面的缺陷，并进行精确的修补。在材料科学中，STM 可以帮助研究人员发现材料表面的微小裂纹和缺陷，为提高材料的性能和可靠性提供依据。
（三）刻写样品
当 STM 在恒流状态下工作时，突然缩短针尖与样品的间距或在针尖与样品的偏置电压上加一脉冲，针尖下样品表面微区中将会出现毫微米级的坑、丘等结构上的变化。移动针尖进行刻写的办法主要有两种：①在反馈电路正常工作时，通过调节参考电流或偏置电压的大小来调节针尖与样品间的接触电阻，达到控制针尖移动的目的。当加大参考电流或减小偏压时为保证恒流工作，反馈将控制针尖移向样品，从而减小接触电阻。②当 STM 处于隧道状态时，固定反馈线路的输出信号，关闭反馈，然后通过改变控制 Z 向运动的压电陶瓷上所加电压的大小来改变针尖与样品的间距，这种方法较前者能够更线性地控制隧道结宽度的变化，相对来说是较为理想的办法。
刻写的结果与针尖的清洁程度有密切关系。已经污染的针尖接触表面后将产生一小坑；未使用过的清洁的针尖接触表面则产生一小丘。清洁针尖在表面上产生小丘的原因是由于它与表面有粘接现象，此时若想使针尖与样品的间距恢复到与表面接触前的情况，针尖必须退回更多，这从另一个角度说明针尖的粘接已使表面产生一凸起部分。针尖的污染将会阻止它对表面的粘接，故使用过的针尖接触表面后将会刻出一个小坑，坑的周围还会有原先在坑内的原子翻出堆成的凸起边缘。
室温下在 Au 及 Ag 等金属表面上刻写出的微细结构在室温下总是不稳定的，由于金属原子的扩散，这些结构最多在几小时内就会模糊以至消失。在其他材料如 Si (110)、Si (100) 等表面上运用 STM 刻出稳定的结构却是可能的。刻写时，针尖向样品移进 2nm 时，小坑深（从边缘算起）0.7nm。在室温条件下及超高真空中，这些图形具有高稳定性，经很长时间后亦不发生变化。STM 可在金属玻璃上进行刻写操作，小丘的大小随偏压的增加而增加。产生小丘的原因通常认为是由于高电流密度引起了衬底的局部熔化，这些熔化物质在针尖负偏压产生的静电场作用下，会形成一突起的泰勒锥，电流去掉后，这个锥立即冷却下来，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。衬底的熔点决定了局部熔化时所需的热量；对于点源电子束，衬底实际获取热量不仅与电流密度有关，还取决于电子在其中的平均自由程及所用衬底的热传导系数；对于无序的金属化玻璃 Rh25Zr75，由于电子在其中的平均自由程较晶体及多晶金属小一百倍，且熔点不是非常高，为 1340K，因此电子束入射时其获取热量较多，相对较易被熔化，故容易在其上如此形成小丘。
六、总结与展望
扫描隧道显微镜作为一种具有高分辨率的微观探测工具，在材料科学、生物学、环境科学以及其他领域都有着广泛的应用。
在材料科学领域，它为新型纳米材料、催化剂和超导材料的研究提供了关键信息，帮助科学家深入理解材料的原子结构和电子行为，为新材料的设计和优化提供了指导。
在生物学领域，它能够观察生物大分子的结构，为研究疾病机制提供了有力工具，有助于开发新的治疗方法。
在环境科学领域，它可以精确研究污染物的分布和自然环境中物质的表面结构，为环境保护和可持续发展提供科学依据。
此外，在微观操作与化学反应、探伤及修补、刻写样品等方面也发挥着重要作用。
然而，扫描隧道显微镜也面临着一些挑战。例如，制造工艺要求高，成本相对较高，限制了其普及和应用；大多数扫描隧道显微镜还依赖于液氦冷却，增加了使用成本和难度；对于某些材料的观测效果可能不如预期等。
尽管面临挑战，但扫描隧道显微镜的未来发展潜力巨大。随着科技的不断进步，科学家们正在积极探索新的技术手段，以降低扫描隧道显微镜的成本和提高其可靠性。例如，研制高稳定扫描隧道显微镜，采用马达 - 扫描头分离式设计，提高隧道结的稳定性；通过同轴化的机械设计，简化探针和样品的传递与更换；采用商业的液氦杜瓦作为低温恒温器，降低设计成本等。
未来，扫描隧道显微镜有望在更多领域发挥重要作用。例如，利用扫描隧道显微镜研究单个原子的电子结构和化学反应过程，或者在生物分子和细胞水平上实现高分辨率成像等。它将为我们揭示更多的物质科学秘密，为科学研究和技术发展做出更大的贡献。
总之，扫描隧道显微镜应用广泛，虽面临挑战但未来发展潜力巨大，将为科学研究发挥更重要作用。
扫描隧道显微镜（STM）是一种基于量子力学中的隧道效应设计的高分辨率显微技术，具有广泛的应用领域。其主要应用包括：
表面结构研究：STM能够提供样品表面的原子级分辨率图像，能够观察到单个原子的排列和表面缺陷。这使得STM在材料科学中成为表征金属表面、半导体表面、绝缘体表面等的重要工具。镍基高温合金表面冲击强化机制及应用研究进展2.微观加工与原子操作：STM不仅能够进行高分辨率成像，还可以用于原子尺度的物质操控，如原子搬迁、刻写等。这些功能使其在纳米制造和纳米电子器件的研究中具有重要应用。
一文读懂STM和AFM的原理与区别 - 知乎3.电子结构研究：STM结合扫描隧道谱（STS）技术可以定量地观测表面局域的电子态结构特征，例如观察磁性分子的Kondo效应等。这为研究表面电子结构提供了强有力的手段。
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生物样品分析：STM可以在多种环境下（如真空、大气、液体中）工作，因此可以用于生物样品的表面分析，包括生物分子的表面吸附和生物膜的形成过程等。工业应用：在工业领域，STM被用于半导体表面形貌测量，如线宽测量等。此外，STM还被应用于汽车工业中，通过轻柔的电脉冲驱动汽车。基础科学研究：STM在模型催化研究、超导体研究、单分子磁体研究等领域也有广泛应用，为这些领域的基础研究提供了重要的实验手段。总之，扫描隧道显微镜凭借其高分辨率和多功能性，在科学研究、材料检测、微观加工等多个领域都发挥了重要作用，并且随着技术的发展，其应用范围还在不断扩展。
扫描隧道显微镜在纳米制造和纳米电子器件研究中的具体应用案例是什么？扫描隧道显微镜（STM）在纳米制造和纳米电子器件研究中的具体应用案例包括以下几个方面：
在实验室中，研究人员使用STM在高真空环境中对碳纳米带样品进行测量。通过超细的铂铱合金针探针，利用量子隧穿效应，STM能够精确绘制出纳米带的原子级图像。此外，STM还用于监测反应过程，确保合成的纳米带结构符合设计要求。这一技术的应用不仅有助于理解碳纳米带的结构特性，还为未来集成到电子组件中的研究提供了基础。
STM技术被用于操控单个原子，并观察其电子性质。例如，通过STM提取和植入单个硅原子，研究人员能够在半导体基板上制造出具有特定功能的纳米结构。这种技术不仅展示了STM在原子尺度上的操控能力，还为开发新型纳米电子器件提供了可能。
STM技术在纳米尺度材料加工中发挥了重要作用。例如，日本的研究人员利用STM在MoS2表面剔除单个硫原子，写成多种字符图，创造了最小字符的世界纪录。此外，STM还被用于构造性能新颖的纳米尺度电子器件，如单电子隧道三极管。这些应用展示了STM在纳米制造中的巨大潜力。
STM技术也被用于制造硅微柱（纳米尖端），这些微柱被设计为纳米天线，可以增强基于STM金属尖端和研究的硅特征的隧道接触发光效应。尽管这些纳米天线未能实现预期目标，但通过额外沉积非金属硅层提高了量子效率，这为制造需要用于混合光学电子芯片的纳米级、电控光源提供了新的思路。
在超真空条件下，STM被用于对Cu3Au样品进行测量和隧道光谱学研究。STM尖端插入样品后，可以观察到尖锐的台阶边缘，并进行点光谱学和表面态映射。这些研究为纳米石墨烯的高级表征提供了可靠的基础，并展示了STM在纳米石墨烯合成、电子解耦和磁性表征方面的独特用途。
STM技术在等离激元隧道结的研究中也发挥了重要作用。等离激元隧道结是一种可以同时支持表面等离激元和电子隧穿的结构，STM能够精确测量这种结构中的电子隧穿效应和等离激元响应。这一研究为发展新一代纳米光电子器件提供了新的机遇。
扫描隧道显微镜（STM）是一种具有高分辨率的表面分析工具，其应用广泛，以下是一些主要的应用领域：
材料科学领域
