扫描隧道显微镜有什么应用？
2024-11-19 阅读 18
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。
