STM探針材料的選擇與制作

【摘 要】能否制作出高質量的探針是開展掃描探針顯微技術研究的前提，本文就STM探針在選擇材料及制作過程中作了很多的研究，探針的宏觀結構、尖端的穩定原子態及化學純度會影響探針的彎曲共振頻率、隧道電流的穩定性，并最終影響實驗結果。

【關鍵詞】STM;探針;隧道效應

0.引言

STM以無可比擬的高分辨率和提供局域空間電子結構信息的特點，為各種周期性和非周期性材料表面的科學研究作出了無法估量的貢獻。在掃描過程中，探針相當于一個傳感器，探針的結構和功能決定著STM圖像的分辨率和納米操控加工能力，不僅影響著圖像的分辨率和圖像的形狀，而且也影響著被測樣品的電子態。

影響探針物理性能的因素主要有兩個方面：幾何結構和電子態結構。幾何結構涉及到探針的外觀形貌，電子結構取決于元素材料同時受幾何結構的影響[1～2]。

1.探針材料的選擇

實驗中采用交、直流腐蝕法制作兩種材料的探針：W探針和Cu探針。原子構造的對稱性理論認為，原子作為核與核外電子相互作用的對立統一體、其構造涉及兩個方面的基本問題，這就是核與電子（包括電子與電子）之間的相互作用及其它們之間相互作用的作用方式[3]。這二者在其自然表現形式上實際上是分屬于“能量”和“對稱性”兩條基本自然法則支配的，其中“能量原理”是使核外電子的軌道分布要盡可能地優先占據能量最低的軌道，并使整個原子體系保持其盡可能低的能量。這一自然法則在以往的原子構造理論中被稱之為原子構造的“能量最低原理”。而“對稱性原理”對原子構造所起的支配作用則是使核外電子及其自旋態的軌道分布要盡可能地排布成對核場（及組態自身）都具有相對最高對稱作用的組態形式，以使整個原子體系（核與軌道電子及軌道電子與軌道電子之間）的電磁相互作用達到盡可能高的作用平衡[3]。

鎢和銅作為元素周期表中的第74號和第29號元素，它們的原子半徑及第一電離能都相差較小，而其原子序數和電子構型卻差別很大。從原子序數可以知道，鎢處于元素周期表的第三過渡周期中，而銅卻處于第一過渡周期中，它們的位置不同電子構型也不同。由于原子構造中存在著：

ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε……

的原子軌道能級序列， 軌道的主量子數(n)值越大（意味著軌道空間離核的平均距離越遠，軌道電子與核之間的庫侖作用越弱）其軌道能級隨原子序數的遞增所產生的“收縮”效應則越弱，反之則越強。但對于主量子數(n)值較小的軌道來說，因其軌道空間相對較小，其軌道的電子電荷密度隨軌道電子數的增多會急劇升高，由此所引起的軌道電子間互斥作用的增強將使軌道能級的“收縮”明顯受阻。關于原子結構的對稱性特征（在一般場合下）可如下評價：（1）原子中核場結構是球形對稱的。（2）因核場結構的球形對稱性使得原子中單一原子軌道對核場球形作用的對稱性呈s>p>d>f的遞變趨勢。（3）不同類型電子組態對稱性的相對高低取決于組態中等價態（軌道）電子數目的多少。組態中等價態（軌道）電子數越多其組態的對稱性則越高，其中全、半滿組態為對稱性最高組態，因此其能量是比較穩定的。所以鎢更適合做STM探針的材料。其原因為化學元素周期表中的第三過渡元素，其全、半滿的d 軌道電子能夠為STM隧道電流提供大量接近費米能級的電子。

2.STM探針的制作

用電化學腐蝕法制備STM探針探針原理簡單、方法操作容易、原料普通廉價，是比較成熟簡便的方法，但在實驗制備過程中探針受到的影響因素較多，也給制備出曲率半徑較小且對稱性較高的高質量的探針帶來了很大的難度。STM探針可由鎢（W）絲、不銹鋼絲、鉬絲、金或鉑銥合金絲作原材料[1～3]。

通過大量實驗得出直流腐蝕法制備探針的最佳工藝條件：電壓V取11V時，偏離角度較小時，浸入深度選在1.5～2mm范圍內，溶液（NaOH）濃度在2mol/L，切斷時間在500ms或以下，腐蝕后可以得到的形貌對稱性較好，曲率半徑較小的可用的鎢探針，如圖1所示。

在此基礎上，也可利用交流電化學腐蝕方法制作探針。在制作過程中，不同于直流腐蝕法的是鎢絲作為電極的陽極，鉑金絲作為陰極。整個腐蝕過程中，兩個電極與液面的接觸處都有汽泡產生，這樣不利于生成高對稱性形貌的鎢探針。

通過兩種方法制備的探針可以看出：直流腐蝕法得到的探針外觀形貌具有良好的對稱性，探針尖端的曲率半徑很小，且探針形貌呈雙曲線型；交流腐蝕法得到的探針也具有比較好的對稱性，只是在探針尖端的曲率半徑上有些微的差別，其探針形貌為拋物面狀。在探針縱橫比相同的情況下，顯然雙曲面型的探針的曲率半徑會更小，探針尖端會更尖趨近于單原子，也更符合STM的要求。雙曲線型的探針還具有比較高的彎曲共振頻率，這樣也可以減小探針處的噪聲，有利于獲得穩定的STM圖像。

采用直流法，在電壓為11V、探針插入10%NaOH溶液的深度為1.5～2mm時，能腐蝕出質量較好的探針。

3.小結

使用直流和交流腐蝕法在適當的條件下均可制得曲率半徑較小，滿足實驗要求的尖端，但直流法所制備的雙曲面新月型尖端形狀更符合實際要求。評價掃描隧道顯微鏡探針質量的參數主要有探針被腐蝕出的新月形臺階的數量、探針宏觀形狀的縱橫比以及探針尖端的曲率半徑。

【參考文獻】

［１］吳雪梅，楊禮富，甘俊彥等.掃描隧道顯微鏡針尖的電化學腐蝕制備方法[J].蘇州大學學報，1997，7：47-50.

［２］吳雪梅，楊禮富.掃描隧道顯微鏡針尖制備及其影響因素的研究[J].蘇州大學學報，1997，10：54-57.

［３］楊福家.原子物理學[M].北京:高等教育出版社，2001:115.