掃描探針顯微鏡SPM與納米科技

掃描探針顯微鏡與納米科技

?? 人類僅僅用眼睛和雙手認(rèn)識(shí)和改造世界是有限的，例如：人眼能夠直接分辨的最小間隔大約為O.07mm；人的雙手雖然靈巧，但不能對(duì)微小物體進(jìn)行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創(chuàng)造性是無(wú)限的。當(dāng)歷史發(fā)展到二十世紀(jì)八十年代，一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（STM）誕生了。STM不僅具有很高的空間解析度（橫向可達(dá)O.1nm，縱向優(yōu)於O.01nm），能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)；而且還能對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱，從而將人類的主觀意願(yuàn)施加于自然。可以說(shuō)STM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結(jié)晶。

?? 基於STM的基本原理，隨後又發(fā)展起來(lái)一系列掃描探針顯微鏡（SPM）。如：掃描力顯微鏡（SFM）、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微境（SNOM）等。這些新型顯微技術(shù)都是利用探針與樣品的不同相互作用來(lái)探測(cè)表面或介面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

??? 納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上(0.1nm～1OOnm之間)研究物質(zhì)（包括原子、分子）的特性和相互作用，並且利用這些特性的多學(xué)科的高科技。其最終目的是直接以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的特性，製造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。

?? 雖然納米科技的歷史可以追溯到三十多年前著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查?費(fèi)曼在美國(guó)物理年會(huì)上的一次富有遠(yuǎn)見(jiàn)的報(bào)告，但是“納米科技”一詞還是近幾年才出現(xiàn)的，也正是SPM技術(shù)及其應(yīng)用迅速發(fā)展的時(shí)期。第5屆國(guó)際STM會(huì)議與第1屆國(guó)際納米科技會(huì)議於1990年在美國(guó)同時(shí)召開(kāi)不能不說(shuō)明SPM與納米科技之間存在著必然聯(lián)繫、SPM的相繼問(wèn)世為納米科技的誕生與發(fā)展起了根本性的推動(dòng)作用，而納米科技的發(fā)展也將為SPM的應(yīng)用提供廣闊的天地。

?? ……

?? 人們饒有興趣的談?wù)摵退伎贾?1世紀(jì)的科學(xué)與技術(shù)，有人說(shuō)是分子電子學(xué)時(shí)代，也有人說(shuō)是資訊時(shí)代。實(shí)際上納米科學(xué)與技術(shù)將是構(gòu)成未來(lái)新時(shí)代的基礎(chǔ)。

?? 世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家已投鉅資，並組織在該領(lǐng)域有影響的科學(xué)家進(jìn)行納米科技研究。美、英、日、德等國(guó)家對(duì)納米科技予以高度重視。美國(guó)真空學(xué)會(huì)成立了納米科學(xué)與技術(shù)部。美國(guó)國(guó)家基金委員會(huì)把納米科技列為優(yōu)先支持的項(xiàng)目，另外美國(guó)與納米科技有關(guān)的資助專案一半以上來(lái)自軍方。英國(guó)政府在財(cái)力困難的情況下也制定了納米技術(shù)計(jì)畫，在機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域遴選了八個(gè)專案進(jìn)行研究。日本制定的關(guān)於先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)研究規(guī)劃中有十二個(gè)項(xiàng)目與納米科技有關(guān)。其投資多達(dá)幾十億日元。德國(guó)漢堡大學(xué)應(yīng)用物理系結(jié)構(gòu)研究中心已投資一千萬(wàn)馬克，準(zhǔn)備建造一臺(tái)世界一流的超高真空低溫STM，期望在研究磁單極的存在性這一重要科學(xué)問(wèn)題上有重要突破。

?? 納米科技的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用直接根植於基礎(chǔ)研究，這與傳統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展規(guī)律不同，從基礎(chǔ)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化是直接的，其轉(zhuǎn)化週期將會(huì)更短。事實(shí)上，納米科技的發(fā)展速度比原先人們估計(jì)的要快，有的已經(jīng)實(shí)用化。納米科技在電腦、資訊處理、通訊、製造、生物、醫(yī)療和空間領(lǐng)域，尤其在國(guó)防工業(yè)上有巨大的發(fā)展前景。

?? 正如前面在關(guān)於納米科技的概念所述，納米科技是在納米尺度上對(duì)物質(zhì)特性進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，最終利用這種特性來(lái)製造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。因而就基礎(chǔ)研究而言，納米科學(xué)有著誘人的前景。因?yàn)樵诩{米尺度上物質(zhì)將表現(xiàn)出新穎的現(xiàn)象、奇特的效應(yīng)和性質(zhì)。而作為一門技術(shù)，納米技術(shù)將為人類提供新穎並具有特定功能的產(chǎn)品和裝置。

?? 因此，納米科學(xué)技術(shù)充滿著機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。而STM及其相關(guān)儀器SPM在這機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)中必將獲得更加廣泛的應(yīng)用。

?? ……

?? 納米科技是未來(lái)高科技的基礎(chǔ)，而科學(xué)儀器是科學(xué)研究中必不可少的實(shí)驗(yàn)手段。STM及其相關(guān)儀器（SPM）必將在這場(chǎng)向納米科技進(jìn)軍中發(fā)揮無(wú)法估量的作用。當(dāng)納米科技時(shí)代真正到來(lái)之際，“掃描探針顯微鏡在納米科技中的應(yīng)用”一文才可能最後寫上休止符。

—— 摘自白春禮《納米科學(xué)與技術(shù)》(雲(yún)南科技出版社，1995)

掃描探針顯微術(shù)

?? 自從1933年德國(guó)Ruska和Knoll等人在柏林製成第一臺(tái)電子顯微鏡後，幾十年來(lái)，有許多用於表面結(jié)構(gòu)分析的現(xiàn)代儀器先後問(wèn)世。如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、場(chǎng)電子顯微鏡（FEM ）、場(chǎng)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(shù)在表面科學(xué)各領(lǐng)域的研究中起著重要的作用。但任何一種技術(shù)在應(yīng)用中都會(huì)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週期性結(jié)構(gòu)，光學(xué)顯微鏡和SEM的解析度不足以分辨出表面原子，高分辨TEM主要用於薄層樣品的體相和介面研究，F(xiàn)EM和FIM只能探測(cè)在半徑小於100nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且制樣技術(shù)複雜，可用來(lái)作為樣品的研究物件十分有限；還有一些表面分析技術(shù)，如X射線光電子能譜(ELS)等只能提供空間平均的電子結(jié)構(gòu)資訊；有的技術(shù)只能獲得間接結(jié)果，還需要用試差模型來(lái)擬合。此外，上述一些分析技術(shù)對(duì)測(cè)量環(huán)境也有特殊要求，例如真空條件等。

?? 1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)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製成功了世界第一臺(tái)新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,以下簡(jiǎn)稱STM）。它的出現(xiàn)，使人類第一次能夠即時(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發(fā)明者們對(duì)科學(xué)研究的傑出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

?? 在STM出現(xiàn)以後，又陸續(xù)發(fā)展了一系列工作原理相似的新型顯微技術(shù)，包括原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,以下簡(jiǎn)稱AFM）、橫向力顯微鏡（Lateral Force Microscope,以下簡(jiǎn)稱LFM）等，這類基於探針對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行掃描成象的顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope,以下簡(jiǎn)稱SPM）。

?? 與其他表面分析技術(shù)相比，SPM所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)可歸納為以下五條：

?? 1、原子級(jí)高解析度。如STM在平行和垂直於樣品表面方向的解析度分別可達(dá)0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個(gè)原子，具有原子級(jí)的解析度。圖1比較了SPM與其他顯微技術(shù)的解析度。

??????????? ?圖1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術(shù)的分辨本領(lǐng)範(fàn)圍比較

HM：高分辨光學(xué)顯微鏡； PCM：相反差顯微鏡； (S)TEM：（掃描）透射電子顯微鏡；
FIM：場(chǎng)離子顯微鏡；REM：反射電子顯微鏡

?? 2、可即時(shí)地得到實(shí)空間中表面的三維圖像，可用於具有週期性或不具備週期性的表面結(jié)構(gòu)研究。這種可即時(shí)觀測(cè)的性能可用於表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。

?? 3、可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構(gòu)、表面吸附體的形態(tài)和位置，以及由吸附體引起的表面重構(gòu)等。

?? 4、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在水和其他溶液中，不需要特別的制樣技術(shù)，並且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。這些特點(diǎn)適用于研究生物樣品和在不同試驗(yàn)條件下對(duì)樣品表面的評(píng)價(jià)，例如對(duì)於多相催化機(jī)理、超導(dǎo)機(jī)制、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電極表面變化的監(jiān)測(cè)等。

?? 5、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面結(jié)構(gòu)的資訊，例如表面不同層次的態(tài)密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢(shì)壘的變化和能隙結(jié)構(gòu)等。

?? 如果將應(yīng)用範(fàn)圍較接近於SPM的電子顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡與其作一簡(jiǎn)略比較（見(jiàn)表1），就可對(duì)STM儀器的特點(diǎn)及優(yōu)越性有一清晰的認(rèn)識(shí)。

?? 此外，在技術(shù)本身，SPM具有的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格便宜、對(duì)安裝環(huán)境要求較低、對(duì)樣品無(wú)特殊要求、制樣容易、檢測(cè)快捷、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，同時(shí)SPM的日常維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用也十分低廉，因此，SPM技術(shù)一經(jīng)發(fā)明，就帶動(dòng)納米科技快速發(fā)展，並在很短的時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。

----摘自白春禮《掃描隧道顯微術(shù)及其應(yīng)用》（上?？萍汲霭嫔?，1992）