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超高真空扫描隧道显微镜 （STM） 邹志强 上海交通大学分析测试中心 • 引言 • STM原理 • 超高真空STM仪器介绍 • 样品的制备和真空处理 • 表面重构 • STM的应用研究 一. 引言 1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的Gerd Binning和Heinrich Rohrer研制出世界上第一台扫描隧道显微镜-STM 。STM使 人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态 和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科 学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用 前景，被公认为80年代世界十大科技成就之一。1986年宾尼 和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。 图1 Gerd Binning 图2 Heinrich Rohrer STM发明前的显微镜 ● 原子的概念至少可以追溯到一千年前，但在漫长的岁月中原子还只是假设而 并非可观测到的客体。 ● 人的眼睛不能直接观察到比0.1mm (10-4m)更小的物体或物质的结构细节，借 助于光学显微镜，使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小 -7 的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率λ/2,只能达到10 m (可见光的最短波长为0.4μm)。 ● 电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，是由德国Ruska and Knoll在1933年发明的，电子的波长λ=h/mν, 在电场中加速的波长为λ=h/√2meV 扫描电子显微镜（SEM ）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子显微镜（TEM ） 和扫描透射电子显微镜（STEM ）可以达到原子级分辨率0.1nm，但主要用于薄 层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件。 ●场离子显微镜（FIM, 1951年）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只 能探测在半径小于100nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复 杂，可用来作为样品的材料也十分有限。 ●X光衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且 只限于对晶体或周期结构的样品进行研究。 Si (111)- 7 x 7 reconstruction, 8.4 nm x 8.4 nm, (a) +2.0 V, (b) -2.0 VJEOL,黄 德欢,纳米技术与应用 STM: Binnig et al. PRL 50,120 Takayanagi et al. Takayanagi, Surf.Sci.164,367 Model with dimers, adatoms and stacking faults, which known as DAS model. 110 112 Faulted Half Unfaulted Half (aBba) (aBbC)