扫描隧道电子显微镜

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。

由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限在表面边界之内，即电子的密度并不在表面边界突然降为零，而是在表面以外呈指数衰减;衰减长度约为 1nm，它是电子逸出表面势垒的量度。如果两块金属互相靠得很近，它们的电子云就可能发生重叠;如果在两金属间加一微小电压，那就可以观察到它们之间的电流(称为隧道电流)。

扫描隧道电子显微镜(scanning tunneling microscope，STM)是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器,利用电子在原子间的量子隧穿效应，将物质表面原子的排列状态转换为图像信息的。在量子隧穿效应中，原子间距离与隧穿电流关系相应。通过移动着的探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，由此可以确定出物质表面的单一原子及它们的排列状态。

它于1981年由格尔德·宾宁 (Gerd K.Binnig)及亨利希·罗勒(Heinrich Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与厄恩斯特·鲁什卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个 原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微颌在低温下可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

扫描隧道电子显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善,STM 将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。STM和 SEM 的结合在纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展。可预言,在未来科学的发展中,STM 和 SEM 的结合将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术领域中。

隧道显微镜的原理是巧妙地利用了物理学上的隧道效应及隧道电流。金属体内存在大量"自由"电子，这些"自由"电子在金属体内的能量分布集中于费米能级附近，而在金属边界上则存在一个能量比费米能级高的势垒。因此，从经典物理学来看，在金属内的"自由"电子，只有能量高于边界势垒的那些电子才有可能从金属内部逸出到外部。但根据量子力学原理，金属中的自由电子还具有波动性，这种电子波在向金属边界传播而遇到表面势垒时，会有一部分透射。也就是说，会有部分能量低于表面势垒的电子能够穿透金属表面势垒，形成金属表面上的"电子云"。这种效应称为隧道效应。所以，当两种金属靠得很近时(几纳米以下)，两种金属的电子云将互相渗透。当加上适当的电压时，即使两种金属并未真正接触，也会有电流由一种金属流向另一种金属，这种电流称为隧道电流。

隧道电流和隧道电阻随隧道间隙的变化非常敏感，隧道间隙即使只发生0.01nm的变化，也能引起隧道电流的显著变化。

如果用一根很尖的探针(如钨针)在距离该光滑样品表面上十分之几纳米的高度上平行于表面在x，y方向扫描，由于每个原子有一定大小，因而在扫描过程中隧道间隙就会随x，y的不同而不同，流过探针的隧道电流也不同。即使是百分之几纳米的高度变化也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨本领为百分之几纳米的扫描隧道电子显微镜图像。

透射电子显微镜在观察物质的整体结构方面是很有用的，但在表面结构的分析上却较困难，这是因为透射电 子显微镜是由高能电透过样品来获得信息的，反映的是样品物质的内部信息。扫描电子显微镜(SEM)虽然能揭示一定的 表面情况，但由于入射电子总具有一定能量，会穿入样品内部， 因此分析的所谓"表面" 总在一定深度 上，而且分辫率也受到很大限制。场发射电子显微镜(FEM)和场离子显微镜(FIM)虽然能很好地用于表面研究，但是样品必须特殊制备，只能置于很细的针尖上，并且样品还需能承受高强电场，这样就使它的应用范围受 到了限制。

扫描隧道电子显微镜(STM)的工作原理完全不同，它不是通过电子束作用于样品(如透射和扫描电子显微 镜 )来获得关于样品物质的信息，也不是通过高电场使样品中的电子获得大于脱出功的能量而形成的发射电流 成象(如场发射电子显微镜)，并以此来研究样品物质，它是通过探测样品表面的 隧道电流来成象，从而对样品表面进行研究。

尽管扫描隧道电子显微镜的构型各不相同, 但都包括有下述三个主要部分:驱动探针相对于导电试样表面作三维运动的机械系统(镜体)，用于控制和监视探针与试样之间距离的电子系统和把测得的数据转换成图像的显示系统。它有两种工作方式:恒流模式、恒高模式。

利用一套电子反馈线路控制隧道电流，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿 x、y 两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流不变,针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，扫描隧道电子显微镜得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图像信息全面，显微图象质量高，应用广泛。

在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变;于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流 I 的大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，,即得到了扫描隧道电子显微镜显微图。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一。

扫描电子显微镜 在新型陶瓷材料显微分析中的应用　

显微结构的分析

在陶瓷的制备过程中，原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征，是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察；同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍

的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰，并富有立体感，在新型陶瓷材料的三维显微组织形态的观察研究方面获得了广泛地应用。

由于扫描电子显微镜可用多种物理信号对样品进行综合分析，并具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点，当陶瓷材料处于不同的外部条件和化学环境时，扫描电子显微镜在其微观结构分析研究方面同样显示出极大的优势。主要表现为： ⑴力学加载下的微观动态 （裂纹扩展）研究 ; ⑵加热

条件下的晶体合成、气化、聚合反应等研究 ; ⑶晶体生长机理、生长台阶、缺陷与位错的研究； ⑷成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究； ⑸晶粒相成分在化学环境下差异性的研究等。

纳米尺寸的研究

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒 ”。纳米材料的应用非常广泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，纳米陶瓷在一定的程度上也可增加韧性、改善脆性等，新型陶瓷纳米材料如纳米称、纳米天平等亦是重要的应用领域。纳米材料的一切独特性主要源于它的纳米尺寸，因此必须首先确切地知道其尺寸，否则对纳米材料的

研究及应用便失去了基础。纵观当今国内外的研究状况和最新成果,目前该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术，但高分辨率的扫描电子显微镜在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势被大量采用。另外如果将扫描电子显微

镜与扫描隧道显微镜结合起来，还可使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜。图 2所示是纳米钛酸钡陶瓷的扫描电镜照片，晶粒尺寸平均为 20nm。

铁电畴的观测

压电陶瓷由于具有较大的力电功能转换率及良好的性能可调控性等特点在多层陶瓷驱动器、微位移器、换能器以及机敏材料与器件等领域获得了广泛的应用。随着现代技术的发展，铁电和压电陶瓷材料与器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和复合结构发展，并在新型陶瓷材料的开发和研究中发挥重要作用。铁电畴 （简称电畴）是其物理基础，电畴的结构及畴变规律直接决定了铁电体物理性质和应用方向。电子显微术是目前观测电畴的主要方法，其优点在于分辨率高，可直接观察电畴和畴壁的显微结构及相变的动态原位观察 （电畴壁的迁移）。

扫描电子显微镜观测电畴是通过对样品表面预先进行化学腐蚀来实现的，由于不同极性的畴被腐蚀的程度不一样，利用腐蚀剂可在铁电体表面形成凹凸不平的区域从而可在显微镜中进行观察。因此，可以将样品表面预先进行化学腐蚀后，利用扫描电子显微镜图像中的黑白衬度来判断不同取向的电畴结构。对不同的铁电晶体选择合适的腐蚀剂种类、浓度、腐蚀时间和温度都能显示良好的畴图样。图 3是扫描电子显微镜观察到的 PLZT材料的 90°电畴。扫描电子显微镜 与其他设备的组合以实现多种分析功能　

在实际分析工作中，往往在获得形貌放大像后，希望能在同一台仪器上进行原位化学成分或晶体结构分析，提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析。为了适应不同分析目的的要求，在扫描电子显微镜上相继安装了许多附件，实现了一机多用，成为一种快速、直观、综合性分析仪器。把扫描电子显微镜应用范围扩大到各种显微或微区分析方面，充分显示了扫描电镜的多种性能及广泛的应用前景。

目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:X射线显微分析系统（即能谱仪,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析样品微区的化学成分等信息；电子背散射系统 （即结晶学分析系统），主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展，其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现，例如显微热台和冷台系统，主要用于观察和分析材料在加热和冷冻过程中微观结构上的变化；拉伸台系统，主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。

成像

次级电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

表面分析

欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。