基于STM的纳米测试技术及其在机械领域中的应用

　　纳米技术是通过一定的设备,使尺度范围在1~100 nm内的物质结构发生改变,在物理、化学和生物学方面出现宏观块体材料所不具备的奇异特性。这个尺度范围内的奇特现象使纳米技术从MEMS(闻名于美国的微机电系统)和MST(闻名于欧洲的微系统技术)中分离出来[1]。纳米技术在当代成为世界关注的热点技术。以STM为代表的纳米测试技术是纳米技术的重要组成部分。

　　1扫描隧道显微镜(STM)

　　1.1基本原理

　　1982年,IBM瑞士苏黎士实验室的G.Binnig和H.Rohrer制造了世界上第一台扫描隧道显微镜STM(Scanning tunneling Microscopy),并因此荣获1986年诺贝尔物理学奖。STM可在原子级分辨率水平上测量材料的表面形貌,使得定域表征这些材料的表面成为可能。与常规的电子显微镜不同,STM可以在空气、液体和真空中进行操作[2]。借助于STM等扫描探针显微镜技术,人们对物质结构的了解延伸到纳米层次,促进了纳米科技的形成。经典物理学认为,动能是非负的量,因此一个粒子的势能V(r)若要大于它的总能量E是完全不可能的。对表面而言,即物质表面是分明的,发生在表面的反射会囿住电子,因此表面不存在电子云。而在量子理论中,电子具有波动性,其位置是弥散的,在V(r)>E的区域,薛定谔方程(Schrodinger equa-tion)[-(h2/2m)V2+V(r)]Ψ(r)=eΨ(r)的解不一定是零(如果V不是无限大的话)。因此一个入射粒子穿透一个V(r)>E的有限区域的机率是非零的,所以物质表面上的一些电子会散逸出来,在样品四周形成电子云。在导体表面之外的空间的某一位置发现电子的机率,会随着这个与表面距离的增大而呈现指数形式的衰减。隧道效应的物理意义可由图1来简单地说明。

　　STM的工作原理来源于量子力学中的隧道贯穿效应。其核心是一个能在样品表面上扫描,并与样品间有一定偏置电压,其直径为原子尺度的针尖。由于电子隧穿的机率与势垒V(r)的宽度呈现负指数关系,当针尖和样品之间施加一个电压,电子就可以通过隧道效应由针尖转移到样品或从样品转移到针尖,形成隧道电流。通过记录针尖与样品间的隧道电流的变化就可以得到样品表面形貌的信息。STM针尖和样品之间构成势垒的间隙S约为10 。公式(1)给出了隧道电流I与两电极间的距离S的负指数关系。

　　式中,为自由电子的质量,Φ为有效平均势垒高度;B为与样品偏压有关的系数。可以看出,粗略来说,S每改变1 ,隧道电流I就会改变一个量级,从而使隧道电流总是集中在间隔最小的区域,如图2所示。

　　1.2基本扫描模式

　　STM由三维压电扫描器、探针、反馈控制电路和隔振系统组成(见图3)。由惰性金属腐蚀而成的探针,其x、y、z三个方向的运动由压电陶瓷控制。当针尖和被测试件间的距离达到纳米量级时,在它们之间施加一定的偏压,就会产生隧道电流。灵敏的电流放大器检出隧道电流,并把它转换为电压(如果偏压能在正负两面两个方向上调节,还必须引入绝对值电路,更好的做法还需加一级对数放大器,使非线性的针尖样品的间距与隧道电流关系线性化),再与电流设置点作比较,比较的结果反映了针尖样品间距与设定值之间的偏差。通常在STM电子学里引入比例积分控制器(常称作反馈电路),以调整扫描器Z方向的运动来保持隧道电流恒定。在恒流模式操作中,要使隧道电流较好地保持,需要调整比例增益和积分时间(其倒数关系也称为积分增益)。这时,比例积分控制器的输出,就反映了样品高度的起伏变化。如果针尖样品间距足够接近,电流放大器己检出隧道电流,在这种情况下将比例积分控制器断开(或者高比例增益设为零,积分时间设为无限大),Z方向就会保持不动隧道电流的变化也能反映针尖样品间距的变化,这就是STM恒流模式的原理。