黄明俊 封格 刘静远 邓鑫星 胡珀
2006级北京大学化学与分子工程学院
摘要 扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观
察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一
分子的反应成为可能。本文回顾了扫描隧道显微镜的发明
过程，总结了它的工作原理，并展望了它在化学、生物等
领域中的应用。
关键字 扫描隧道显微镜 STM 原理 应用
一、扫描隧道显微镜的发明
Auguries of Innocence
William Blake, 1863
To see a World in a Grain of Sand And a Heaven in a Wild Flower,Hold Infinity in the palm of your hand And Eternity in an hour.
如果除去这首诗中的神秘主义和宗教意味，那么它恰好与微观世界的某些特点不谋而合。一朵花由无数个结构精巧的细胞构成，其复杂程度足以称得上“世界”。但由于人类生理上的限制，仅凭肉眼是不可能分辨这微观的“世界”的。然而，从古至今，人们一直没有放弃对微观世界的探索。1674年，荷兰人列文虎克（Anthony Van Leeuwenhoek ，1632-1723）发明了光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红细胞。1931年德国科学家Ernst Ruska和Max Knoll根据磁场可以会聚电子束的原理发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提高到上万倍，分辨率达到了10-8 m。在电子显微镜下，比细胞小的多的病毒也露出了原形。人们的视觉本领得到了进一步的延伸。但电子显微镜存在着很多不足，高速电子容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对表面结构有所揭示，表面物理的迅速发展又急需一种能够观测物质表面结构的显微术.在人类进入了原子时代的今天，科学技术的发展呼唤着更加精确、分辨率更高的仪器的发明和面世。
正象绝大多数科学的新发现和新发明都具有其偶然性和必然性一样，当二十世纪七十年代末德裔物理学家葛•宾尼(Gerd Bining)博士和他的导师海•罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士在IBM 公司(International Business Machines Corporation)设在瑞士苏黎士的实验室进行超导实验时，他们并没有把自己的有关超导隧道效应的研究与新
型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描隧道显微镜准备了坚实的理论和实验基础。一次偶然的机会，他们读到了物理学家罗伯特•杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章中有关驱动探针在样品表面扫描的方法使他们突发奇想：难道不能利用导体的隧道效应来探测物体表面并得到表面的形貌吗？以后的事实证明，这真是一个绝妙的想法。经过师生两人的不懈努力，1981年，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜终于诞生了。这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和研究与表面电子行为有关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。两位科学家因此与电子显微镜的发明者E Ruska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
图1 从左至右依次为Ernst Ruska，Gerd Binnig，Heinrich Rohrer
二、STM的工作原理
2.1 隧道效应简介
扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。
那么什么是隧道效应？根据量子力学原理，由于粒子存在波动性，当一个粒子处在一个势垒之中时，粒子越过势垒出现在另一边的几率不为零，这种现象称为隧道效应。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖
作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图2 所示。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I 。隧道电流 I的大小与针尖和样品间的距离s 以及样品表面平均势垒的高度φ有关，其关系为I∝Ue-A√ps，式中A 为常量
图2 金属表面与针尖的电子云图
如果s以0.1nm为单位，φ eV为单位，则在真空条件下，A≈1，I∝Ue-√ps。
由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出与样品表面结构相关的信息。
2.2 STM的结构
常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图3 所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。
2.3 STM的工作方式
STM有两种工作方式。
