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【摘 要】能否制作出高质量的探针是开展扫描探针显微技术研究的前提,本文就STM探针在选择材料及制作过程中作了很多的研究，探针的宏观结构、尖端的稳定原子态及化学纯度会影响探针的弯曲共振频率、隧道电流的稳定性，并最终影响实验结果。
【关键词】STM;探针;隧道效应
0.引言
STM以无可比拟的高分辨率和提供局域空间电子结构信息的特点，为各种周期性和非周期性材料表面的科学研究作出了无法估量的贡献。在扫描过程中，探针相当于一个传感器，探针的结构和功能决定着STM图像的分辨率和纳米操控加工能力，不仅影响着图像的分辨率和图像的形状，而且也影响着被测样品的电子态。
影响探针物理性能的因素主要有两个方面：几何结构和电子态结构。几何结构涉及到探针的外观形貌，电子结构取决于元素材料同时受几何结构的影响[1～2]。
1.探针材料的选择
实验中采用交、直流腐蚀法制作两种材料的探针：W探针和Cu探针。原子构造的对称性理论认为，原子作为核与核外电子相互作用的对立统一体、其构造涉及两个方面的基本问题，这就是核与电子（包括电子与电子）之间的相互作用及其它们之间相互作用的作用方式[3]。这二者在其自然表现形式上实际上是分属于“能量”和“对称性”两条基本自然法则支配的，其中“能量原理”是使核外电子的轨道分布要尽可能地优先占据能量最低的轨道，并使整个原子体系保持其尽可能低的能量。这一自然法则在以往的原子构造理论中被称之为原子构造的“能量最低原理”。而“对称性原理”对原子构造所起的支配作用则是使核外电子及其自旋态的轨道分布要尽可能地排布成对核场（及组态自身）都具有相对最高对称作用的组态形式，以使整个原子体系（核与轨道电子及轨道电子与轨道电子之间）的电磁相互作用达到尽可能高的作用平衡[3]。
钨和铜作为元素周期表中的第74号和第29号元素，它们的原子半径及第一电离能都相差较小，而其原子序数和电子构型却差别很大。从原子序数可以知道，钨处于元素周期表的第三过渡周期中，而铜却处于第一过渡周期中，它们的位置不同电子构型也不同。由于原子构造中存在着：
ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε……
的原子轨道能级序列, 轨道的主量子数(n)值越大（意味着轨道空间离核的平均距离越远，轨道电子与核之间的库仑作用越弱）其轨道能级随原子序数的递增所产生的“收缩”效应则越弱，反之则越强。但对于主量子数(n)值较小的轨道来说，因其轨道空间相对较小，其轨道的电子电荷密度随轨道电子数的增多会急剧升高，由此所引起的轨道电子间互斥作用的增强将使轨道能级的“收缩”明显受阻。关于原子结构的对称性特征（在一般场合下）可如下评价：（1）原子中核场结构是球形对称的。（2）因核场结构的球形对称性使得原子中单一原子轨道对核场球形作用的对称性呈s>p>d>f的递变趋势。（3）不同类型电子组态对称性的相对高低取决于组态中等价态（轨道）电子数目的多少。组态中等价态（轨道）电子数越多其组态的对称性则越高，其中全、半满组态为对称性最高组态，因此其能量是比较稳定的。所以钨更适合做STM探针的材料。其原因为化学元素周期表中的第三过渡元素，其全、半满的d 轨道电子能够为STM隧道电流提供大量接近费米能级的电子。
2.STM探针的制作
用电化学腐蚀法制备STM探针探针原理简单、方法操作容易、原料普通廉价，是比较成熟简便的方法，但在实验制备过程中探针受到的影响因素较多，也给制备出曲率半径较小且对称性较高的高质量的探针带来了很大的难度。STM探针可由钨（W）丝、不锈钢丝、钼丝、金或铂铱合金丝作原材料[1～3]。
通过大量实验得出直流腐蚀法制备探针的最佳工艺条件：电压V取11V时，偏离角度较小时，浸入深度选在1.5～2mm范围内，溶液（NaOH）浓度在2mol/L，切断时间在500ms或以下，腐蚀后可以得到的形貌对称性较好，曲率半径较小的可用的钨探针，如图1所示。
在此基础上，也可利用交流电化学腐蚀方法制作探针。在制作过程中，不同于直流腐蚀法的是钨丝作为电极的阳极，铂金丝作为阴极。整个腐蚀过程中，两个电极与液面的接触处都有汽泡产生，这样不利于生成高对称性形貌的钨探针。
通过两种方法制备的探针可以看出：直流腐蚀法得到的探针外观形貌具有良好的对称性，探针尖端的曲率半径很小，且探针形貌呈双曲线型；交流腐蚀法得到的探针也具有比较好的对称性，只是在探针尖端的曲率半径上有些微的差别，其探针形貌为抛物面状。在探针纵横比相同的情况下，显然双曲面型的探针的曲率半径会更小，探针尖端会更尖趋近于单原子，也更符合STM的要求。双曲线型的探针还具有比较高的弯曲共振频率，这样也可以减小探针处的噪声，有利于获得稳定的STM图像。
采用直流法，在电压为11V、探针插入10%NaOH溶液的深度为1.5～2mm时，能腐蚀出质量较好的探针。
3.小结
使用直流和交流腐蚀法在适当的条件下均可制得曲率半径较小，满足实验要求的尖端，但直流法所制备的双曲面新月型尖端形状更符合实际要求。评价扫描隧道显微镜探针质量的参数主要有探针被腐蚀出的新月形台阶的数量、探针宏观形状的纵横比以及探针尖端的曲率半径。
【参考文献】
［１］吴雪梅，杨礼富，甘俊彦等.扫描隧道显微镜针尖的电化学腐蚀制备方法[J].苏州大学学报，1997,7：47-50.
［２］吴雪梅，杨礼富.扫描隧道显微镜针尖制备及其影响因素的研究[J].苏州大学学报，1997,10：54-57.
［３］杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社,2001:115.
【关键词】STM;探针;隧道效应
0.引言
STM以无可比拟的高分辨率和提供局域空间电子结构信息的特点，为各种周期性和非周期性材料表面的科学研究作出了无法估量的贡献。在扫描过程中，探针相当于一个传感器，探针的结构和功能决定着STM图像的分辨率和纳米操控加工能力，不仅影响着图像的分辨率和图像的形状，而且也影响着被测样品的电子态。
影响探针物理性能的因素主要有两个方面：几何结构和电子态结构。几何结构涉及到探针的外观形貌，电子结构取决于元素材料同时受几何结构的影响[1～2]。
1.探针材料的选择
实验中采用交、直流腐蚀法制作两种材料的探针：W探针和Cu探针。原子构造的对称性理论认为，原子作为核与核外电子相互作用的对立统一体、其构造涉及两个方面的基本问题，这就是核与电子（包括电子与电子）之间的相互作用及其它们之间相互作用的作用方式[3]。这二者在其自然表现形式上实际上是分属于“能量”和“对称性”两条基本自然法则支配的，其中“能量原理”是使核外电子的轨道分布要尽可能地优先占据能量最低的轨道，并使整个原子体系保持其尽可能低的能量。这一自然法则在以往的原子构造理论中被称之为原子构造的“能量最低原理”。而“对称性原理”对原子构造所起的支配作用则是使核外电子及其自旋态的轨道分布要尽可能地排布成对核场（及组态自身）都具有相对最高对称作用的组态形式，以使整个原子体系（核与轨道电子及轨道电子与轨道电子之间）的电磁相互作用达到尽可能高的作用平衡[3]。
钨和铜作为元素周期表中的第74号和第29号元素，它们的原子半径及第一电离能都相差较小，而其原子序数和电子构型却差别很大。从原子序数可以知道，钨处于元素周期表的第三过渡周期中，而铜却处于第一过渡周期中，它们的位置不同电子构型也不同。由于原子构造中存在着：
ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε<ε……
的原子轨道能级序列, 轨道的主量子数(n)值越大（意味着轨道空间离核的平均距离越远，轨道电子与核之间的库仑作用越弱）其轨道能级随原子序数的递增所产生的“收缩”效应则越弱，反之则越强。但对于主量子数(n)值较小的轨道来说，因其轨道空间相对较小，其轨道的电子电荷密度随轨道电子数的增多会急剧升高，由此所引起的轨道电子间互斥作用的增强将使轨道能级的“收缩”明显受阻。关于原子结构的对称性特征（在一般场合下）可如下评价：（1）原子中核场结构是球形对称的。（2）因核场结构的球形对称性使得原子中单一原子轨道对核场球形作用的对称性呈s>p>d>f的递变趋势。（3）不同类型电子组态对称性的相对高低取决于组态中等价态（轨道）电子数目的多少。组态中等价态（轨道）电子数越多其组态的对称性则越高，其中全、半满组态为对称性最高组态，因此其能量是比较稳定的。所以钨更适合做STM探针的材料。其原因为化学元素周期表中的第三过渡元素，其全、半满的d 轨道电子能够为STM隧道电流提供大量接近费米能级的电子。
2.STM探针的制作
用电化学腐蚀法制备STM探针探针原理简单、方法操作容易、原料普通廉价，是比较成熟简便的方法，但在实验制备过程中探针受到的影响因素较多，也给制备出曲率半径较小且对称性较高的高质量的探针带来了很大的难度。STM探针可由钨（W）丝、不锈钢丝、钼丝、金或铂铱合金丝作原材料[1～3]。
通过大量实验得出直流腐蚀法制备探针的最佳工艺条件：电压V取11V时，偏离角度较小时，浸入深度选在1.5～2mm范围内，溶液（NaOH）浓度在2mol/L，切断时间在500ms或以下，腐蚀后可以得到的形貌对称性较好，曲率半径较小的可用的钨探针，如图1所示。
在此基础上，也可利用交流电化学腐蚀方法制作探针。在制作过程中，不同于直流腐蚀法的是钨丝作为电极的阳极，铂金丝作为阴极。整个腐蚀过程中，两个电极与液面的接触处都有汽泡产生，这样不利于生成高对称性形貌的钨探针。
通过两种方法制备的探针可以看出：直流腐蚀法得到的探针外观形貌具有良好的对称性，探针尖端的曲率半径很小，且探针形貌呈双曲线型；交流腐蚀法得到的探针也具有比较好的对称性，只是在探针尖端的曲率半径上有些微的差别，其探针形貌为抛物面状。在探针纵横比相同的情况下，显然双曲面型的探针的曲率半径会更小，探针尖端会更尖趋近于单原子，也更符合STM的要求。双曲线型的探针还具有比较高的弯曲共振频率，这样也可以减小探针处的噪声，有利于获得稳定的STM图像。
采用直流法，在电压为11V、探针插入10%NaOH溶液的深度为1.5～2mm时，能腐蚀出质量较好的探针。
3.小结
使用直流和交流腐蚀法在适当的条件下均可制得曲率半径较小，满足实验要求的尖端，但直流法所制备的双曲面新月型尖端形状更符合实际要求。评价扫描隧道显微镜探针质量的参数主要有探针被腐蚀出的新月形台阶的数量、探针宏观形状的纵横比以及探针尖端的曲率半径。
【参考文献】
［１］吴雪梅，杨礼富，甘俊彦等.扫描隧道显微镜针尖的电化学腐蚀制备方法[J].苏州大学学报，1997,7：47-50.
［２］吴雪梅，杨礼富.扫描隧道显微镜针尖制备及其影响因素的研究[J].苏州大学学报，1997,10：54-57.
［３］杨福家.原子物理学[M].北京:高等教育出版社,2001:115.