?????? 在有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的研究中，高分辨率的掃描隧道顯微鏡(STM)三維直觀圖象是一種極為有用的工具。此法已成功地觀察到苯在Rh(111)表面的單層吸附，并顯示清晰的Kekule環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在生物學(xué)領(lǐng)域，掃描隧道顯微鏡(STM)已用來直接觀察DNA、重組DNA及HPI-蛋白質(zhì)等在載體表面吸附后的外形結(jié)構(gòu)。

???????可以預(yù)測，對于許多溶液相的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究，如能移置到載體表面進(jìn)行，掃描隧道顯微鏡(STM)也不失為一個可以嘗試的測試手段，通過它可觀察到原子間轉(zhuǎn)移的直接過程。對于膜表面的吸附和滲透過程，掃描隧道顯微鏡(STM)方法可能描繪出較為詳細(xì)的機(jī)理。這一方法在操作上和理解上簡單直觀，獲得數(shù)據(jù)后無需作任何繁瑣的后續(xù)數(shù)據(jù)處理就可直接顯示或繪圖，而且適用于很多介質(zhì)，因此將會在其應(yīng)用研究領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。

繼掃描隧道顯微鏡(STM)之后，各國科技工作者在掃描隧道顯微鏡(STM)原理基礎(chǔ)上又發(fā)明了一系列新型顯微鏡^[4]。它們包括：原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM，在1956年設(shè)想基礎(chǔ)上的改進(jìn)）和光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）等。這些新型顯微鏡的發(fā)明為探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場、靜電場、熱量散失、離子流量、表面摩擦力以及在擴(kuò)大可測樣品范圍方面提供了有力的工具。近幾年來，在把STM與EM、FIM以及AFM、LEED等其它表面分析手段聯(lián)用方面，也取得了可喜的進(jìn)展。目前最小的掃描隧道顯微鏡(STM)尺寸僅為125μm，而最大的掃描范圍可達(dá)100μm。

2? STM的局限性與發(fā)展^[5]

盡管掃描隧道顯微鏡(STM)有著EM、FIM等儀器所不能比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

1.在掃描隧道顯微鏡(STM)的恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差。圖2摘自對鉑超細(xì)粉末的一個研究實(shí)例^[6]。它形象地顯示了掃描隧道顯微鏡(STM)在這種探測方式上的缺陷。鉑粒子之間的溝槽被探針掃描過的曲面所蓋，在形貌圖上表現(xiàn)得很窄，而鉑粒子的粒徑卻因此而被增大了。在TEM的觀測中則不會出現(xiàn)這種問題。

在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測超細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

2.掃描隧道顯微鏡(STM)所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體；對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實(shí)表面的分辨率。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡(STM)這方面的不足。

此外，在目前常用的（包括商品）掃描隧道顯微鏡(STM)儀器中，一般都沒有配備FIM，因而針尖形狀的不確定性往往會對儀器的分辨率和圖象的認(rèn)證與解釋帶來許多不確定因素。

盡管掃描隧道顯微鏡(STM)問世的時間很短，但經(jīng)過各國科學(xué)家的努力，掃描隧道顯微鏡(STM)技術(shù)已得到了迅速的發(fā)展，在許多方面顯示出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。相信隨著掃描隧道顯微鏡(STM)理論與技術(shù)的日臻完善，掃描隧道顯微鏡(STM)及其相關(guān)技術(shù)必將在人類認(rèn)識微觀世界的進(jìn)程中發(fā)揮越來越大的作用。

其他類似的檢測儀器

繼1982年發(fā)明在真空條件下工作的STM以來，掃描隧道顯微技術(shù)及其應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展。1984年STM先后用于在大氣、蒸餾水、鹽水和電解液環(huán)境下研究不同物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)。后來，在STM的原理的基礎(chǔ)上又發(fā)明了一系列新型的顯微鏡。這些顯微鏡包括： 原子力顯微鏡（Atomic Force Micro-scope）簡稱AFM。它可以直接觀察原子和分子，而且用途更為廣泛，對導(dǎo)電和非導(dǎo)電樣品均適用。AFM也可以作為納米制造的手段，目前，已有一些成功的例子。 原子力顯微鏡（AFM）、激光力顯微鏡（LFM）、摩擦力顯微鏡、磁力顯微鏡（MFM）、靜電力顯微鏡、掃描熱顯微鏡、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描隧道電位儀（STP）、掃描離子電導(dǎo)顯微鏡（SICM）、掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）和掃描超聲顯微鏡等。

這些新型顯微鏡的發(fā)明為探索物質(zhì)表面或界面的特性，如表面不同部位的磁場、靜電場、熱量損失、離子流量、表面摩擦力以及在擴(kuò)大可測量樣品的范圍等方面提供了有力的工具。近幾年來在把STM與AFM、FIM、LEED等其他表面分析手段聯(lián)用方面，也取得了可喜的進(jìn)展。目前，最小的STM僅為1000mm×200mm×8mm，最大的掃描范圍可達(dá)100μm。已召開了十幾次STM國際會議，1993年8月在北京召開了第七屆STM國際會議，有中國科學(xué)院化學(xué)所、清華大學(xué)等單位參加。 中國科學(xué)院化學(xué)所白春禮課題組于1988年初研制成功計算機(jī)控制的STM，該儀器由STM主體、控制電路、計算機(jī)、高分辨圖形顯示終端等部分組成。具有恒定高度、恒定電流兩種掃描模式，提供有STM形貌圖、I-V曲線、局域勢壘高度測量等功能。儀器水平分辨率<1?，垂直分辨率<0.1?，掃描范圍1nm×1nm~4.5μm×4.5μm。

原子力顯微鏡（AFM）

上一節(jié)已經(jīng)簡述了STM發(fā)明之后，納米結(jié)構(gòu)測試技術(shù)的發(fā)展。本節(jié)將進(jìn)行略為詳細(xì)的討論。1986年，諾貝爾獎金獲得者賓尼等人發(fā)明了AFM。這種新型的表面分析儀器是靠探測針尖與樣品表面微弱的原子間作用力的變化來觀察表面結(jié)構(gòu)的。它不僅可以觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面形貌，而且可以觀察非導(dǎo)體的表面形貌，彌補(bǔ)了STM只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體之不足。由于許多實(shí)用的材料或感光的樣品是不導(dǎo)電的，因此AFM的出現(xiàn)也引起了科學(xué)界的普遍重視。當(dāng)時賓尼研制的第一臺AFM的橫向分辨率僅為30 ?，1987年斯坦福大學(xué)的Quate等人報道他們的AFM達(dá)到了原子級分辨率。中國科學(xué)院化學(xué)所研制的隧道電流法檢測、微懸臂運(yùn)動的AFM于1988年底首次達(dá)到原子級分辨率。運(yùn)用該儀器對金紅石、有機(jī)鐵磁體、非線性光學(xué)材料的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，均獲得了較好的結(jié)果。

激光檢測原子力顯微鏡（AFM）

在力學(xué)結(jié)構(gòu)上，可以把探針看成是微懸臂。激光檢測AFM利用激光束的偏轉(zhuǎn)來檢測微懸臂的運(yùn)動。因?yàn)榧す馐芰扛?，且具有單色性，因此能夠提高儀器的可靠性和穩(wěn)定性，避免因隧道污染所產(chǎn)生的噪聲。同時，還能提高原子間作用力檢測的靈敏度，大大減小微懸臂對樣品的影響，擴(kuò)大儀器的適用范圍，使其更加適合于有機(jī)分子的研究。另外激光檢測AFM經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)后，可用來檢測樣品表面的磁力、靜電力等。中國科學(xué)院化學(xué)所于1992年9月研制成功了國內(nèi)第一臺激光檢測AFM，分辨率達(dá)原子級水平，已用它對石墨、云母、激光唱盤溝模等進(jìn)行了研究，達(dá)到了原子級分辨率。

低溫掃描隧道顯微鏡（STM）

許多材料的某些物理特性只有在低溫下（如液氮，液氦溫區(qū)）才能表現(xiàn)出來，在室溫下很難觀測到或者根本觀察不到。例如目前獲得極大關(guān)注的高Tc超導(dǎo)材料，其超導(dǎo)性質(zhì)一般要在液氮溫區(qū)才能表現(xiàn)出來，欲觀察其超導(dǎo)能隙，則必須使STM在低溫下工作。因此，為了開展對材料的低溫性質(zhì)的研究，首先要研究低溫下工作的STM（簡稱低溫STM）。中國科學(xué)院化學(xué)所研制成功了國內(nèi)第一臺低溫STM，已使用該儀器獲得了低溫下（液氮溫區(qū)）高定向石墨的原子級分辨圖像，對于超導(dǎo)樣品等的研究工作也取得了一定的進(jìn)展。

真空掃描隧道顯微鏡（STM）

STM技術(shù)獲得的信息來自表面單層原子，因而該技術(shù)對表面清潔度非常敏感。有些樣品表面易被雜質(zhì)吸附，有些還呈氧化態(tài)，因此有必要建立一套加工工藝，能夠獲得清潔而真實(shí)的樣品表面；并且在實(shí)驗(yàn)過程能保持樣品的這種狀態(tài)，以便在超高真空環(huán)境下進(jìn)行STM的工作。這種STM簡稱真空STM。另外根據(jù)研究需要， 一般要求能夠?qū)悠愤M(jìn)行加熱退火、解理等多種處理，并使STM手段能與其他表面分析手段聯(lián)用，只有真空STM能提供這種可能。為此開展了真空STM的研制工作，中科院化學(xué)所已完成使用無油無震真空系統(tǒng)的STM，并進(jìn)行了鑒定。在超高真空下用STM對石墨表面的研究已獲得原子級分辨的圖像，對Si（111）7×7重構(gòu)表面的研究正在進(jìn)行之中。

彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）

半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)和使用導(dǎo)致人們需要對其表面和界面性質(zhì)進(jìn)行全面了解。常規(guī)的表面分析技術(shù)不能用來研究表面下界面的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，而肖特基勢壘法，包括光電發(fā)射法、光電響應(yīng)法、伏—安曲線法等可以用來間接地表達(dá)界面的有關(guān)性質(zhì)，但它們并不具備在整個界面上探測肖特基勢壘性質(zhì)變化的空間分辨能力。為此，一種直接對表面下界面電子性質(zhì)進(jìn)行譜學(xué)研究，并能以高分辨率成像的實(shí)驗(yàn)技術(shù)——BEEM應(yīng)運(yùn)而生。中國科學(xué)院化學(xué)所1992年開始從事有關(guān)BEEM的研制工作，目前已取得了很大的進(jìn)展。并且使用該儀器進(jìn)行了材料的表面和界面性質(zhì)的研究。

參考文獻(xiàn)