量子隧穿与扫描隧道显微镜

郑然方

摘要：上世纪80年代初，IBM苏黎世实验室的宾尼与罗雷尔研制出世界上第一台扫描隧道显微镜，打开了人类直接观察微观世界的大门。它的发明使得人们在纳米尺度上研究物质的表面成为可能，这对于表面科学、材料科学、生命科学等领域的发展具有重要的意义。扫描隧道显微镜的基本原理是量子隧穿效应，它与经典牛顿力学有着很大的区别。本文主要介绍量子隧穿效应的物理来源以及扫描隧道显微镜的若干特点，及其广泛的应用前景。

关键词：量子隧穿；扫描隧道显微镜；应用

在显微镜出现之前，人们往往通过肉眼来观察这个世界。17世纪列文虎克发明了光学显微镜，使得人们观察细胞成为了可能。20世纪30年代，电子显微镜的发明，可以让人们观察到比细胞更小的病毒。但是，这两种显微镜都有着各自的缺陷。光学显微镜不能观察纳米尺度的粒子，而电子显微镜发出高速电子

容易进入物质深处，不能用来观察物质的表面结构。因此，这两种显微镜都不能用来研究物质的表面。扫描隧道显微镜的出现，使得人们可以直接观测物质的表面结构，是显微技术上的一次飞跃。

一、量子隧穿效应

扫描隧道显微镜的基本原理利用了量子隧穿效应。量子隧穿效应的物理来源是物质的波动性。我们知道，经典粒子遵循牛顿力学。根据牛顿力学，一个运动的粒子所具有的动能，其中是粒子的质量，是粒子的速度。如果粒子在运动过程中遇到一个势垒，则粒子能不能穿过势垒，取决于动能与的相对大小。若粒子动能小于势能，粒子一定不能穿过势垒。但是，对于微观粒子例如电子，情况就完全不同。微观粒子遵循量子力学，而在量子力学里，物质本质上是一列波，即物质波。当粒子对应的物质波遇到比自己动能大的势垒时，粒子仍然有一定概率穿过势垒到达另一侧。这时，物质波的波幅在势垒内部是指数减小的，而对于固定高度的势垒，只要势垒的宽度不大，粒子透射的概率还是相当可观的。这种效应没有其经典对应，完全是量子力学中物质的波动性带来的，因此这种效应也被称为是量子隧穿效应。量子力学的计算结果表明，微观粒子隧穿势垒的概率，其中是一个常数，是势垒宽度。注意到指数函数的变化极为迅速，因此势垒宽度的微小变化，会引起隧穿概率剧烈的变化，扫描隧道显微镜就是利用这个原理制作而成的。

二、扫描隧道显微镜的原理

扫描隧道显微镜将极细的金属探针和样品表面作为两个电极，而中间真空的绝缘层作为一个势垒。那么，这三者就构成了一个量子隧穿的基本器件。当针尖和样品的表面非常接近时，如果在它们之间再加上一个小电压，那么电子就可能由针尖隧穿过真空势垒达到样品表面形成电流，这个电流被称为隧道电流。注意到量子隧穿概率与势垒宽度是指数依赖关系，因此对应的隧道电流也随着针尖与样品表面的距离非常敏感的变化。如果操作针尖沿着样品表面扫描，随着表面结构的高低起伏，隧道电流也会相应发生变化。当表面起伏0.1nm时，隧道电流会变化一个数量级左右。因此，通过测量隧道电流的大小，我们可以描绘出样品表面高低起伏的形貌，从而得到表面分子结构的信息。在实际的测量过程中，既可以保持针尖的高度不变去测量隧道电流（恒高模式），也可以保持隧道电流不变去测量针尖上下移动的高度（恒流模式），对于不同性质的样品，我们可以选取适当的工作模式来观察其表面结构。

三、扫描隧道显微镜的特点

1、超高的分辨率。原子、分子的尺度一般在0.1-1nm左右。扫描隧道显微镜具有原子级的分辨能力，其水平分辨率小于0.1nm，垂直分辨率小于0.01nm，因此可以清晰地观察样品表面的原子、分子结构。例如，利用扫描隧道显微镜可以清楚看到硅（111）表面的原子图像。通过观察样品表面的原子排列，扫描隧道显微镜可以帮助人们更好的研究表面缺陷、表面吸附、表面重构等问题，还可以提供表面电子密度分布、表面势垒等信息。另外，由于扫描隧道显微镜提供的分辨图像是实时的，这就为研究表面的分子动力学过程提供了方便。从这些例子可以看出，扫描隧道显微鏡对于表面科学的发展具有里程碑式的意义。

2、多样的工作环境。与其它显微镜不同，扫描隧道显微镜的工作环境是多样的。对于无氧化层的干净样品表面，扫描隧道显微镜可以直接在大气环境下进行观察，而对于容易氧化的半导体和金属样品，在表面清洁后放入真空环境中，也可以获得清晰的表面原子结构图。在研究材料的相变问题时高温环境是必要的，而在研究表面吸附和表面动力学等问题时低温环境也是必要的。扫描隧道显微镜可以在低温、室温直至高温的环境下工作，满足各种工作环境的要求，这是其它显微镜所不具备的。由于很多化学反应是在溶液中发生的，专门在溶液环境中探测的扫描隧道显微镜已经研制成功，用来研究溶液中化学反应的机理。上述多样的工作环境，为扫描隧道显微镜研究不同学科、不同层次的问题提供了极大的便利。

3、广泛的应用前景。扫描隧道显微镜在探测过程中对于样品是无伤的，因此可以有各种各样的应用。利用针尖与材料表面分子的相互作用，可以实现单原子或单分子的操纵。进一步的，通过针尖可以对分子内的化学键进行加工处理，使单分子的化学反应成为了可能。近几年来，利用扫描隧道显微镜研究DNA分子螺旋链输运特性的实验正在如火如荼的展开，这丰富了人们对于生命遗传物质DNA的认识。因此，在表面科学、材料科学、生命科学中，扫描隧道显微镜正在发挥越来越重要的作用，应用前景也越来越广泛。

四、结语

在扫描隧道显微镜发明至今的30多年里，纳米科学取得了长足的进步。作为观察纳米世界的技术手段，扫描隧道显微镜极大的丰富了人们对于微观世界的认识。分子操纵、分子加工、分子器件等技术越来越成熟，相信新一代的技术变革已经离我们不远了。

参考文献

[1] 黄皙恒，何宝鹏.扫描隧道显微镜[J].大学物理，1994，13（4）：36-37.

[2] 周小明，胡跃辉.扫描隧道显微镜[J].现代物理知识，2000（4）：33-35.

[3] 白春礼.来自微观世界的新概念[M].清华大学出版社，2000.

[4] 庞宗强，张悦，戎舟，等.利用扫描隧道显微镜研究水分子在Cu（110）表面的吸附与分解[J].物理学报，2016，65（22）：266-270.endprint