掃描隧道電子顯微鏡

透射電子顯微鏡在觀察物質的整體結構方面是很有用的，但在表面結構的分析上卻較困難，這是因為透射電 子顯微鏡是由高能電透過樣品來獲得信息的，反映的是樣品物質的內部信息。掃描電子顯微鏡（SEM）雖然能揭示一定的 表面情況，但由於入射電子總具有一定能量，會穿入樣品內部， 因此分析的所謂“表面” 總在一定深度 上，而且分辮率也受到很大限制。場發射電子顯微鏡（FEM)和場離子顯微鏡（FIM）雖然能很好地用於表面研究，但是樣品必須特殊製備，只能置於很細的針尖上，並且樣品還需能承受高強電場，這樣就使它的應用範圍受 到了限制。

掃描隧道電子顯微鏡（STM）的工作原理完全不同，它不是通過電子束作用於樣品（如透射和掃描電子顯微 鏡 ）來獲得關於樣品物質的信息，也不是通過高電場使樣品中的電子獲得大於脱出功的能量而形成的發射電流 成象（如場發射電子顯微鏡），並以此來研究樣品物質，它是通過探測樣品表面的 隧道電流來成象，從而對樣品表面進行研究。

它於1981年由格爾德·賓寧 (Gerd K.Binnig)及亨利希·羅勒(Heinrich Rohrer)在IBM位於瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，兩位發明者因此與厄恩斯特·魯什卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。作為一種掃描探針顯微術工具，掃描隧道顯微鏡可以讓科學家觀察和定位單個 原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率。此外掃描隧道顯微頜在低温下可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。

掃描隧道顯微鏡是根據量子力學中的隧道效應原理，通過探測固體表面原子中電子的隧道電流來分辨固體表面形貌的新型顯微裝置。

由於電子的隧道效應，金屬中的電子並不完全侷限在表面邊界之內，即電子的密度並不在表面邊界突然降為零，而是在表面以外呈指數衰減；衰減長度約為 1nm，它是電子逸出表面勢壘的量度。如果兩塊金屬互相靠得很近，它們的電子雲就可能發生重疊；如果在兩金屬間加一微小電壓，那就可以觀察到它們之間的電流(稱為隧道電流)。

儘管掃描隧道電子顯微鏡的構型各不相同, 但都包括有下述三個主要部分：驅動探針相對於導電試樣表面作三維運動的機械系統(鏡體)，用於控制和監視探針與試樣之間距離的電子系統和把測得的數據轉換成圖像的顯示系統。它有兩種工作方式：恆流模式、恆高模式。

利用一套電子反饋線路控制隧道電流，使其保持恆定。再通過計算機系統控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿 x、y 兩個方向作二維運動。由於要控制隧道電流不變,針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨着樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是説，掃描隧道電子顯微鏡得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖像信息全面，顯微圖象質量高，應用廣泛。

在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；於是針尖與樣品表面的局域距離將發生變化，隧道電流 I 的大小也隨着發生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，並轉換成圖像信號顯示出來，,即得到了掃描隧道電子顯微鏡顯微圖。這種工作方式僅適用於樣品表面較平坦、且組成成分單一。

隧道顯微鏡的原理是巧妙地利用了物理學上的隧道效應及隧道電流。金屬體內存在大量"自由"電子，這些"自由"電子在金屬體內的能量分佈集中於費米能級附近，而在金屬邊界上則存在一個能量比費米能級高的勢壘。因此，從經典物理學來看，在金屬內的"自由"電子，只有能量高於邊界勢壘的那些電子才有可能從金屬內部逸出到外部。但根據量子力學原理，金屬中的自由電子還具有波動性，這種電子波在向金屬邊界傳播而遇到表面勢壘時，會有一部分透射。也就是説，會有部分能量低於表面勢壘的電子能夠穿透金屬表面勢壘，形成金屬表面上的"電子雲"。這種效應稱為隧道效應。所以，當兩種金屬靠得很近時（幾納米以下），兩種金屬的電子雲將互相滲透。當加上適當的電壓時，即使兩種金屬並未真正接觸，也會有電流由一種金屬流向另一種金屬，這種電流稱為隧道電流。

隧道電流和隧道電阻隨隧道間隙的變化非常敏感，隧道間隙即使只發生0.01nm的變化，也能引起隧道電流的顯著變化。

如果用一根很尖的探針（如鎢針）在距離該光滑樣品表面上十分之幾納米的高度上平行於表面在x，y方向掃描，由於每個原子有一定大小，因而在掃描過程中隧道間隙就會隨x，y的不同而不同，流過探針的隧道電流也不同。即使是百分之幾納米的高度變化也能在隧道電流上反映出來。利用一台與掃描探針同步的記錄儀，將隧道電流的變化記錄下來，即可得到分辨本領為百分之幾納米的掃描隧道電子顯微鏡圖像。

掃描隧道電子顯微鏡的出現為人類認識和改造微觀世界提供了一個極其重要的新型工具。隨着實驗技術的不斷完善,STM 將在單原子操縱和納米技術等諸多研究領域中得到越來越廣泛的應用。STM和 SEM 的結合在納米技術中的應用必將極大地促進納米技術不斷髮展。可預言,在未來科學的發展中,STM 和 SEM 的結合將滲透到表面科學、材料科學、生命科學等各個科學技術領域中。