郑 炜,刘晋春

(1.厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门 361005;2.哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所,黑龙江哈尔滨 150001)

1 扫描隧道显微镜成像原理

扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,STM)是所有扫描探针显微镜(ScanningProbeMicroscope,SPM)系列的最早期产品,STM是首次产生原子级分辨率的表面真三维图像仪器。它使用一个尖锐的导电探针,在探针针尖和样品之间加上一个偏压。当探针针尖和样品相距约10Å时,电子从样品开始穿过10Å量级间隙的“隧道”后到达针尖,其运动速度取决于偏压信号的大小(图1)。隧道电流随着针尖和样品间隙大小的变化而变化,变化的电流信号用于产生STM图像。为了产生隧道电流,样品和针尖必须是导体或半导体,这和扫描力显微镜(AFM)不同,STM不能使绝缘体产生STM成像[1]。

图1 STM探针针尖与样品相互作用示意图

STM所具有的不同隧道电流It值或相同的It值给出不同的针尖与样品间隙s值,都不能确切地反映表面形貌[2]。为了鉴别表面结构的真实性,同时获得表面或异物的功函数,通过调制技术[3,5],即以一适当的频率强迫s在小范围△s内做周期性变化。此时,调制信号～Im将直接与功函数Φ有关,即:

2 扫描隧道显微镜工作模式

STM在扫描样品时有两种工作模式:恒高度模式和恒电流模式(图2)[2]。“恒高度模式”工作时,微机控制探针的超微量高度恒定并进行二维扫描。由于样品表面起伏,产生的超微隧道电流将以反馈形式增大或减小,反馈信号可作为STM成像;“恒电流模式”工作时,针尖电流设在恒定值,微机控制固定有针尖的压电扫描器做三维运动,采集Z轴高度信号,可得到原子分辨率的样品表面形貌图像[4,6]。……