新時代化學發展概述
描隧道顯微鏡在表麵化學中的應用
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）博士共同研製成功了世界第一台新型的表麵分析儀器——掃描隧道顯微鏡（Scanning tunneling microscope，以下簡稱STM）。它的問世，使人類第一次能夠實時地觀察到原子在物質表麵的排列狀態和與表麵電子行為有關的物理化學性質，對表麵科學、材料科學、生命科學和微電子技術的研究有著重大的意義和廣闊的應用前景，被科學界公認為是表麵科學和表麵現象分析技術的一次革命。為此，他們與電子顯微鏡的創製者恩·魯斯卡（ErnstRuska）教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎。
與其他表麵分析技術相比，STM具有以下優點：
1.具有原子級分辨率。平行和垂直於表麵方向的分辨率分別可達0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子。
2.可實時地得到在實空間中表麵的三維圖像，不需要用試差模體進行對比計算（如LEED等），因而可用於具有周期性或不具備周期性的表麵結構。這種可以實時觀測的性能非常有利於對表麵反應、擴散等動態過程的研究。
3.可以得到單原子層表麵的局部結構，而不是體相的平均性質。因此可以直接觀測到局部的表麵缺陷、表麵重構、表麵吸附體的形態和位置，以及由吸附體引起的表麵重構等。
4.可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣品可浸在水、電解液、液氮或液氦中。不需要特別的製樣技術並且探測過程對樣品無損傷。這些特點非常適用於研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表麵的評價，例如對催化機理、超導材料的超導機製、電化學反應過程中電極表麵變化的監測等。
5.在獲得樣品表麵形貌的同時，亦可得到掃描隧道譜（STS），可用它研究表麵的電子結構，如表麵價電子軌道狀態、表麵電子陷阱、電荷密度波、表麵勢壘的變化和能隙結構等。、
二、基本原理
掃描隧道顯微鏡的基本原理是基於量子的隧道效應。將原子線度的極細針尖和被研究物質的表麵作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小於1nm），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的絕緣層流向另一電極。這種現象稱為隧道效應。隧道電流I是電
於1。
由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品表麵之間距非常敏感，如果距離減小0.1nm，I將增加一個數量級。因此，利用電子反饋線路控製隧道電流的恒定，並用壓電陶瓷材料控製針尖在樣品表麵的掃描，則探針在垂直於樣品方向上高低的變化就反映出了樣品表麵的起伏（圖1a）。將針尖在樣品表麵掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表麵態密度的分布或原子排列的圖像。對於起伏不大的樣品表麵，可以控製針尖高度守恒掃描，通過記錄隧道電流的變化亦可得到表麵態密度的分布（圖1b）。這種掃描方式的特點是掃描速度快，能夠減少噪音和熱漂移對信號的影響。
從（1）式可見，在Vb和I保持不變的掃描過程中，如果功函數隨樣品表麵的位置而異，也同樣會引起探針高度（Vz）的變化。如樣品表麵原子種類不同，或樣品表麵吸附有原子、分子時，由於不同種類的原子或分子團等具有不同的電子態密度和功函數，此時STM給出的等電子態密度輪廓不再對應於樣品表麵原子的起伏，而是表麵原子起伏與不同原子各自態密度組合後的綜合效果。STM不能區分這兩個因素，但用STS方法可將此兩因素區分開來。利用表麵功函數、偏置電壓Vb與隧道電流之間的關係，可以得到表麵電子態和化學特性的有關信息。、
三、應用
迄今為止，有關STM和STS的文章已發表六百餘篇，涉及較多的應用實例。限於篇幅，這裏隻介紹幾個典型的例子。
1.表麵結構研究
物質的表麵結構往往是十分複雜的，這是由於表麵處於體相原子中止麵上。這種特殊的狀態造成表麵幾個原子層內原子的排列往往與體相不同。衍射分析方法已經證實，在許多情況下，表麵形成超晶格結構可使表麵自由能達到最小值，即形成表麵重構。Si（111）7×7重構是在30年前發現的，但原子重構後的空間排列細節一直沒有定論。1983年初，賓尼發表了Si（111）7×7的STM像，得到了重構後表麵原子排列的細節（圖2）。7×7菱形單胞網格頂層有12個吸附原子“突起”；菱角處原子“下陷”，不存在吸附原子。STM像還揭示頂層原子下存在不均勻的波紋結構。