掃描探針的顯微術

       自從1933年德國Ruska和Knoll等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結構分析的現代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、場電子顯微鏡（FEM ）、場離子顯微鏡（FIM）、低能電子衍射（LEED）、俄歇譜儀（AES）、光電子能譜（ESCA）、電子探針等。這些技術在表面科學各領域的研究中起著重要的作用。但任何一種技術在應用中都會存在這樣或那樣的局限性，例如，LEED及X射線衍射等衍射方法要求樣品具備周期性結構，光學顯微鏡和SEM的分辨率不足以分辨出表面原子，高分辨TEM主要用于薄層樣品的體相和界面研究，FEM和FIM只能探測在半徑小于100nm的針尖上的原子結構和二維幾何性質，且制樣技術復雜，可用來作為樣品的研究對象十分有限；還有一些表面分析技術，如X射線光電子能譜(ELS)等只能提供空間平均的電子結構信息；有的技術只能獲得間接結果，還需要用試差模型來擬合。此外，上述一些分析技術對測量環境也有特殊要求，例如真空條件等。

    1982年，國際商業機器公司蘇黎世實驗室的葛·賓尼（Gerd Binnig）博士和海·羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,以下簡稱STM）。它的出現，使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣闊的應用前景，被國際科學界公認為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發明者們對科學研究的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎。

     在STM出現以后，又陸續發展了一系列工作原理相似的新型顯微技術，包括原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,以下簡稱AFM）、橫向力顯微鏡（Lateral Force Microscope,以下簡稱LFM）等，這類基于探針對被測樣品進行掃描成象的顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope,以下簡稱SPM）。

   與其它表面分析技術相比，SPM所具有的獨特優點可歸納為以下五條：

   1、原子級高分辨率。如STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子，具有原子級的分辨率。圖1比較了SPM與其它顯微技術的分辨率。

圖1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術的分辨本領范圍比較

HM：高分辨光學顯微鏡； PCM：相反差顯微鏡； (S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；

FIM：場離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡

   2、可實時地得到實空間中表面的三維圖像，可用于具有周期性或不具備周期性的表面結構研究。這種可實時觀測的性能可用于表面擴散等動態過程的研究。

   3、可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是體相或整個表面的平均性質。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等。

   4、可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，甚至可將樣品浸在水和其它溶液中，不需要特別的制樣技術，并且探測過程對樣品無損傷。這些特點適用于研究生物樣品和在不同試驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超導機制、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。

   5、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關表面結構的信息，例如表面不同層次的態密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。

   如果將應用范圍較接近于SPM的電子顯微鏡、場離子顯微鏡與其作一簡略比較（見表1），就可對STM儀器的特點及優越性有一清晰的認識。

表1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術的各項性能指標比較

　 此外，在技術本身，SPM具有的設備相對簡單、體積小、價格便宜、對安裝環境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣容易、檢測快捷、操作簡便等特點，同時SPM的日常維護和運行費用也十分低廉，因此，SPM技術一經發明，就帶動納米科技快速發展，并在很短的時間內得到廣泛應用。