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識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，但不能對微小物體進行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創造性是無限的。當歷史發展到二十世紀八十年代，一種以物理學為基礎、集多種現代技術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O.1nm，縱向優於O.01nm），能直接觀察到物質表面的原子結構；而且還能對原子和分子進行操縱，從而將人類的主觀意願施加于自然。可以說STM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結晶。

   基於STM的基本原理，隨後又發展起來一系列掃描探針顯微鏡（SPM）。如：掃描力顯微鏡（SFM）、彈道電子發射顯微鏡（BEEM）、掃描近場光學顯微境（SNOM）等。這些新型顯微技術都是利用探針與樣品的不同相互作用來探測表面或介面在納米尺度上表現出的物理性質和化學性質。

    納米科學和技術是在納米尺度上(0.1nm～1OOnm之間)研究物質（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科的高科技。其最終目的是直接以物質在納米尺度上表現出來的特性，製造具有特定功能的產品，實現生產方式的飛躍。納米科學大體包括納米電子學、納米機械學、納米材料學、納米生物學、納米光學、納米化學等領域。

   雖然納米科技的歷史可以追溯到三十多年前著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查•費曼在美國物理年會上的一次富有遠見的報告，但是“納米科技”一詞還是近幾年才出現的，也正是SPM技術及其應用迅速發展的時期。第5屆國際STM會議與第1屆國際納米科技會議於1990年在美國同時召開不能不說明SPM與納米科技之間存在著必然聯繫、SPM的相繼問世為納米科技的誕生與發展起了根本性的推動作用，而納米科技的發展也將為SPM的應用提供廣闊的天地。

   ……

   人們饒有興趣的談論和思考著21世紀的科學與技術，有人說是分子電子學時代，也有人說是資訊時代。實際上納米科學與技術將是構成未來新時代的基礎。

   世界上一些發達國家已投鉅資，並組織在該領域有影響的科學家進行納米科技研究。美、英、日、德等國家對納米科技予以高度重視。美國真空學會成立了納米科學與技術部。美國國家基金委員會把納米科技列為優先支持的項目，另外美國與納米科技有關的資助專案一半以上來自軍方。英國政府在財力困難的情況下也制定了納米技術計畫，在機械、光學、電子學等領域遴選了八個專案進行研究。日本制定的關於先進技術開發研究規劃中有十二個項目與納米科技有關。其投資多達幾十億日元。德國漢堡大學應用物理系結構研究中心已投資一千萬馬克，準備建造一台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問題上有重要突破。

   納米科技的產業應用直接根植於基礎研究，這與傳統的技術發展規律不同，從基礎到應用的轉化是直接的，其轉化週期將會更短。事實上，納米科技的發展速度比原先人們估計的要快，有的已經實用化。納米科技在電腦、資訊處理、通訊、製造、生物、醫療和空間領域，尤其在國防工業上有巨大的發展前景。

   正如前面在關於納米科技的概念所述，納米科技是在納米尺度上對物質特性進行研究的基礎上，最終利用這種特性來製造具有特定功能的產品，實現生產方式的飛躍。因而就基礎研究而言，納米科學有著誘人的前景。因為在納米尺度上物質將表現出新穎的現象、奇特的效應和性質。而作為一門技術，納米技術將為人類提供新穎並具有特定功能的產品和裝置。

   因此，納米科學技術充滿著機會與挑戰。而STM及其相關儀器SPM在這機會與挑戰中必將獲得更加廣泛的應用。

   ……

   納米科技是未來高科技的基礎，而科學儀器是科學研究中必不可少的實驗手段。STM及其相關儀器（SPM）必將在這場向納米科技進軍中發揮無法估量的作用。當納米科技時代真正到來之際，“掃描探針顯微鏡在納米科技中的應用”一文才可能最後寫上休止符。

—— 摘自白春禮《納米科學與技術》(雲南科技出版社，1995)

掃描探針顯微術

   自從1933年德國Ruska和Knoll等人在柏林製成第一台電子顯微鏡後，幾十年來，有許多用於表面結構分析的現代儀器先後問世。如透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、場電子顯微鏡（FEM ）、場離子顯微鏡（FIM）、低能電子衍射（LEED）、俄歇譜儀（AES）、光電子能譜（ESCA）、電子探針等。這些技術在表面科學各領域的研究中起著重要的作用。但任何一種技術在應用中都會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構，光學顯微鏡和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，FEM和FIM只能探測在半徑小於100nm的針尖上的原子結構和二維幾何性質，且制樣技術複雜，可用來作為樣品的研究物件十分有限；還有一些表面分析技術，如X射線光電子能譜(ELS)等只能提供空間平均的電子結構資訊；有的技術只能獲得間接結果，還需要用試差模型來擬合。此外，上述一些分析技術對測量環境也有特殊要求，例如真空條件等。

   1982年，國際商業機器公司蘇黎世實驗室的葛•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台新型的表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,以下簡稱STM）。它的出現，使人類第一次能夠即時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質，在表面科學、材料科學、生命科學等領域的研究中有著重大的意義和廣闊的應用前景，被國際科學界公認為八十年代世界十大科技成就之一。為表彰STM的發明者們對科學研究的傑出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎。

   在STM出現以後，又陸續發展了一系列工作原理相似的新型顯微技術，包括原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope,以下簡稱AFM）、橫向力顯微鏡（Lateral Force Microscope,以下簡稱LFM）等，這類基於探針對被測樣品進行掃描成象的顯微鏡統稱為掃描探針顯微鏡（Scanning Probe Microscope,以下簡稱SPM）。

   與其他表面分析技術相比，SPM所具有的獨特優點可歸納為以下五條：

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

             圖1. 掃描探針顯微鏡（SPM）與其他顯微鏡技術的分辨本領範圍比較

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

   2、可即時地得到實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構研究。這種可即時觀測的性能可用於表面擴散等動態過程的研究。

   3、可以觀察單個原子層的局部表面結構，而不是體相或整個表面的平均性質。因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表面重構等。

   4、可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，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，並且探測過程對樣品無損傷。這些特點適用于研究生物樣品和在不同試驗條件下對樣品表面的評價，例如對於多相催化機理、超導機制、電化學反應過程中電極表面變化的監測等。

   5、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關表面結構的資訊，例如表面不同層次的態密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等。

   如果將應用範圍較接近於SPM的電子顯微鏡、場離子顯微鏡與其作一簡略比較（見表1），就可對STM儀器的特點及優越性有一清晰的認識。

   此外，在技術本身，SPM具有的設備相對簡單、體積小、價格便宜、對安裝環境要求較低、對樣品無特殊要求、制樣容易、檢測快捷、操作簡便等特點，同時SPM的日常維護和運行費用也十分低廉，因此，SPM技術一經發明，就帶動納米科技快速發展，並在很短的時間內得到廣泛應用。

----摘自白春禮《掃描隧道顯微術及其應用》（上海科技出版社，1992）