继1982年发明在真空条件下工作的STM以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛发展。1984年STM先后用于在大气、蒸馏水、盐水和电解液环境下研究不同物质的表面结构。后来，在STM的原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括： 原子力显微镜（Atomic Force Micro-scope）简称AFM。它可以直接观察原子和分子，而且用途更为广泛，对导电和非导电样品均适用。AFM也可以作为纳米制造的手段，目前，已有一些成功的例子。 原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。

     这些新型显微镜的发明为探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。近几年来在把STM与AFM、FIM、LEED等其他表面分析手段联用方面，也取得了可喜的进展。目前，最小的STM仅为1000mm×200mm×8mm，最大的扫描范围可达100μm。已召开了十几次STM国际会议，1993年8月在北京召开了第七届STM国际会议，有中国科学院化学所、清华大学等单位参加。 中国科学院化学所白春礼课题组于1988年初研制成功计算机控制的STM，该仪器由STM主体、控制电路、计算机、高分辨图形显示终端等部分组成。具有恒定高度、恒定电流两种扫描模式，提供有STM形貌图、I-V曲线、局域势垒高度测量等功能。仪器水平分辨率<1Å，垂直分辨率<0.1Å，扫描范围1nm×1nm~4.5μm×4.5μm。

原子力显微镜（AFM）

    上一节已经简述了STM发明之后，纳米结构测试技术的发展。本节将进行略为详细的讨论。1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明了AFM。这种新型的表面分析仪器是靠探测针尖与样品表面微弱的原子间作用力的变化来观察表面结构的。它不仅可以观察导体和半导体的表面形貌，而且可以观察非导体的表面形貌，弥补了STM只能直接观察导体和半导体之不足。由于许多实用的材料或感光的样品是不导电的，因此AFM的出现也引起了科学界的普遍重视。当时宾尼研制的第一台AFM的横向分辨率仅为30 Å，1987年斯坦福大学的Quate等人报道他们的AFM达到了原子级分辨率。中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动的AFM于1988年底首次达到原子级分辨率。运用该仪器对金红石、有机铁磁体、非线性光学材料的表面结构进行了研究，均获得了较好的结果。

激光检测原子力显微镜（AFM）

     在力学结构上，可以把探针看成是微悬臂。激光检测AFM利用激光束的偏转来检测微悬臂的运动。因为激光束能量高，且具有单色性，因此能够提高仪器的可靠性和稳定性，避免因隧道污染所产生的噪声。同时，还能提高原子间作用力检测的灵敏度，大大减小微悬臂对样品的影响，扩大仪器的适用范围，使其更加适合于有机分子的研究。另外激光检测AFM经过适当改进后，可用来检测样品表面的磁力、静电力等。中国科学院化学所于1992年9月研制成功了国内第一台激光检测AFM，分辨率达原子级水平，已用它对石墨、云母、激光唱盘沟模等进行了研究，达到了原子级分辨率。

低温扫描隧道显微镜（STM）

     许多材料的某些物理特性只有在低温下（如液氮，液氦温区）才能表现出来，在室温下很难观测到或者根本观察不到。例如目前获得极大关注的高Tc超导材料，其超导性质一般要在液氮温区才能表现出来，欲观察其超导能隙，则必须使STM在低温下工作。因此，为了开展对材料的低温性质的研究，首先要研究低温下工作的STM（简称低温STM）。 中国科学院化学所研制成功了国内第一台低温STM，已使用该仪器获得了低温下（液氮温区）高定向石墨的原子级分辨图像，对于超导样品等的研究工作也取得了一定的进展。

真空扫描隧道显微镜（STM）

     STM技术获得的信息来自表面单层原子，因而该技术对表面清洁度非常敏感。有些样品表面易被杂质吸附，有些还呈氧化态，因此有必要建立一套加工工艺，能够获得清洁而真实的样品表面；并且在实验过程能保持样品的这种状态，以便在超高真空环境下进行STM的工作。这种STM简称真空STM。另外根据研究需要，有进要求能够对样品进行加热退火、解理等多种处理，并使STM手段能与其他表面分析手段联用，只有真空STM能提供这种可能。为此开展了真空STM的研制工作，中科院化学所已完成使用无油无震真空系统的STM，并进行了鉴定。在超高真空下用STM对石墨表面的研究已获得原子级分辨的图像，对Si（111）7×7重构表面的研究正在进行之中。

弹道电子发射显微镜（BEEM）

     半导体材料的发现和使用导致人们需要对其表面和界面性质进行全面了解。常规的表面分析技术不能用来研究表面下界面的结构和电子性质，而肖特基势垒法，包括光电发射法、光电响应法、伏—安曲线法等可以用来间接地表达界面的有关性质，但它们并不具备在整个界面上探测肖特基势垒性质变化的空间分辨能力。为此，一种直接对表面下界面电子性质进行谱学研究，并能以高分辨率成像的实验技术——BEEM应运而生。中国科学院化学所1992年开始从事有关BEEM的研制工作，目前已取得了很大的进展。并且使用该仪器进行了材料的表面和界面性质的研究。

参  考  文  献