扫描隧道显微镜在微电子方面的应用及其研究进展

扫描隧道显微镜在微电子方面的应用及其研究进展

摘要：微电子技术的发展为我们的生活带来了很大的便利，然而关于微电子产品

的测试又对人类现有的技术提出了挑战，本文主要讲述了扫描隧道显微镜的原理、最新研究进展以及其在微电子等行业的应用。

关键字：扫描隧道显微镜，隧道电流，电子阱，自旋化扫描隧道显微镜。

一、引言

多年来，人们早就知道物质是由分子和原子组成的，这大多是通过实验间接验证的，扫描隧道显微镜(STM)的诞生，使人类第一次在实空间观测到了原子，STM 可以在极高的分辨率下直接给出固体表面原子的排列图像，使人们亲眼看见了它们的存在，并能够在超高真空超低温的状态下操纵原子。扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope ，STM) 由IBM 公司的Binnig 等人于1982年发明，能够在实空间对表面原子或吸附原子成像，并且具有最高的空间分辨能力, 因此在微电子行业得到了广泛的应用。【1】

二、STM 基本工作原理、研究进展及应用

1、STM 基本工作原理

扫描隧道显微镜的基本工作原理如图1所示。图中A 为具有原子尺度的针，B 为被分析样品。STM 工作时，在样品和针尖间加一定电压，当样品与针尖的距离小于一定值时，由于量子隧道效应，样品和针尖间产生隧道电流。若控制针尖在样品表面某一水平面上扫描，针尖的运动轨迹如图1(b)所示, 则随着样品表面高低起伏, 隧道电流不断变化, 通过记录隧道电流的变化, 可得到样品表面的形貌图, 此即恒高度模式。借助电子仪器和计算机，可以在屏幕上显示出样品的表面形貌。从STM 的工作原理可以看到：STM 工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名" 扫描隧道显微镜" 的原因【2】。

（a ）恒电流模式（b ）恒高度模式

图1

2、扫描隧道显微镜的研究进展

STM 恒电流工作方式观测超细金属微粒可达到0.1埃，即可以分辨出单个原子。可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期

性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。 可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中，不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤。这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。配合扫描隧道谱（STS ）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。利用STM 针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础【3】。

据美国《连线》杂志报道去年底，一支英国科学家首次拍下了一个进攻性病毒攻击酶和DNA 链的实时纳米级影像，这是扫描探针显微镜发展中的最新突破。这些纳米光学显微镜科学家通过光栅扫描单个原子，制造出了一些令人惊叹的纳米级图像。在25

届扫描隧道显微镜发展年会上，国际扫描探针显微镜图像竞展

了一组最佳的扫描隧道显微镜图像。以下是其中的部分作品【4】。

由德国实验室托斯顿·邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi 量子点“森林”，其实，它们只有15纳米高，直径也只有70纳米。

基于扫描隧道显微镜开发出来的电化学扫描隧道显微镜(ECSTM)在观察纳米结构的形成过程及电势控制下的结构转变和分子位相变化【5】，以及自旋极化扫

【6】描隧道显微镜(SP-STM)在研究磁性材料方面都取得了很大的进展。此外，原

子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM、磁力显微镜(M FM) 、静电力显微镜(EFM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描离子电导显微镜(SICM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等各种扫描隧道显微镜的衍生品也在蓬勃发展，为显微镜行业带来蓬勃的活力【7】。

3、扫描隧道显微镜各个领域的应用

1）在材料科学、生命科学技术的应用

因为STM 具有原子级的分辨率，并能实时观测表面的三维图象，最适宜研究表面现象。固体表面的原子地位特殊，因此表面有许多与众不同的性质，弄清它们将能开发许多新技术、新产品。例如，引人瞩目的超晶格材料，它是用每层只有几个晶格厚的两种不同材料，一层一层交替叠合而成的。利用交界面处两表面上原子相互作用可以产生许多新奇的性能。于是，我们可以有目的地设计各种新材料，如性能优异的半导体材料，高温超导材料等。对于这些新材料的研究，扫描隧道显微镜无疑是一种强有力的工具。

扫描隧道显微镜中不用高能电子束，样品不会因电子的轰击而受伤。扫描隧道显微镜可以在空气中使用，甚至允许样品表面覆盖一层水，这能使生物样品始终处于活的状态之中，这也是它比电子显微镜优越的地方。因此，扫描隧道显微镜在生命科学中有广阔的应用前景，并已取得不少成果。例如，中国科学院化学研究所用自己研制的扫描隧道显微镜观察一种噬菌体DNA(脱氧核糖核酸)

的变异结构，对这些DNA 变异结构的直接观察，丰富了人类对生命活动的主要遗传物质DNA 结构的认识【8】。

同时，扫描隧道显微镜为医学的发展带来了无限的的契机，借助于扫描隧道显微镜，许多过去低倍显微镜无法观察到的图像现在可以清晰地展现在人们的眼球里。这是一张关于人体血细胞的图片【9】。

2）在探测及纳米技术方面的应用

当前，纳米科学与技术是一门极有前途的新兴学科，扫描隧道显微镜在这门学科的研究中发挥着重要作用，纳米科学与技术是在100nm ~ 0.1nm的尺度范围内进行的研究。STM(扫描隧道显微镜) 是利用电子隧道效应发挥作用的，故只用

来探测导体、半导体、超导体表面的情况。对于各种物质如金、硅、销、嫁等表面的情况可以比较清楚的表现出来

3）在微电子技术方面的应用

在微电子方面，STM 、AFM 、 SN0M 技术应用也十分广泛，现在只举一例：在集成电路中各个晶体管之间电子往来穿梭，此时会有电子发光现象，运用特殊的光电倍增管可将微弱的光信号记录下来，利用近场光学显微技术可将图象摄制下来，有时场效应晶体管(FETS)会发生错误，特别是微处理器中。这时，便可以发挥STM 的优势，进行检测与故障的排除

4）在实际生产方面的应用

一项新的技术，如果只是停留于科技而不是运用于实际，转化成现实的生产力，那这项技术也就不会有旺盛的生命力。光盘是现代生活生产中不可缺少的一部分，它的制作工艺直接关系到存储或读取数据的难易，所以光盘生产商千方百计要寻求一种简洁方便的方法来探测光盘表面的平滑度。自从AFM 发明以来，完成此项操纵成为现实。由于AFM 观测的就是物体表面的情况，故从扫描的结果可以直接得到光盘的光洁情况。有的光盘商运用AFM 来检测光盘的金属磁粉是否均匀，光盘表面是否有裂隙，这是AFM 技术运用比较直接的一个例子

三、总结与展望

虽然STM 问世的时间很短，但经过各国科学家的努力，STM 技术已得到了迅速的发展，在许多方面显示出其独特的优点，相信随着理论与技术的日臻完善，STM 及其相关技术必将在人类认识微观世界的进程中发挥越来越大的作用。

12 −[13]【11】[10]。 。 。

参考文献

[1] 谢楠. 南开大学 硕士学位论文--光耦合扫描隧道显微镜的研制 南

开大学研究生院，2010年5月.

[2]Benzinger, T. L. S.; Gregory, D. M.; Burkoth, T. S.; MillerAuer,

H.; Lynn, D. G.; Botto, R. E.; Meredith, S. C. Proc. Natl. Acad.Sci. U. S.

A., 1998： 25-28.

[3]盖国强, 冯春培. Oracle 数据库性能优化[M].北京:人民邮电出版

社,2006：83-85.

[4] 张柏林，汪尔康. 应用化学.1993年01期

[5]Paul Homwitz,Winfield Hill，The Art of Electronics-2nd Edition，

Cambridge UniversityPress 1980，1989. 赵爱迪，陈岚，译. 北京：高等教育出版社，2007:251-252.

[6]姜宇航，连季春，肖文德，高鸿钧. 自旋化扫描隧道显微镜的研究进展.

中国科学院物理学研究所，100190.

[7] [美]陈成均. 扫描隧道显微学引论. 中国轻工业出版社，1996：153-154

[8]孙润广. 扫描隧道显微镜及其在生命科学研究中的应用. 陕西师范大学

学报（自然科学版）,1999年01期

[9]Sethuraman, A.; Belfort, G. Abs. Pap. Am. Chem. Soc., 2004,227: U219李

立均，王跃，译. 电子科技大学出版社，2009:156-157.

[10] 白玉林，齐金藏. 科学世界—纳米科技的应用，2005年8月

[11] Abramov, E.; Dolev, I.; Fogel, H.; Ciccotosto, G. D.; Ruff, E.;

Slutsky, I. Nat. Neurosci., 2009, 12: 1567唐明，李林，译. 清华大学出

版社.

[12] 白春礼. 扫描隧道显微技术及其应用. 上海：科学技术出版社，2009

[13] Pappalardo, G.; Milardi, D.; Magri, A.; Attanasio, F.; Impellizzeri,

G.; La Rosa, C.; Grasso, D.; Rizzarelli, E. Chem. Eur. J., 2007,13:

10204董振超，张样，译. 科学教育出版社，2009：:23-284.