扫描隧道显微镜在航天材料中的应用

扫描隧道显微镜在航天材料中的应用

程俊博,王毅鹏,郭佳佳,李浩然

上海航天电子技术研究所

摘要：扫描隧道显微镜（STM）技术是一种能够在原子水平上显示分子形貌和电子态信息的技术，它可以实现单个原子的观察和操纵，与其他种类的显微镜相比，其分辨本领可以达到10-10米。航天任务的发展对高性能材料提出了新的要求，复合防护材料、耐极端温度材料和高性能航天服材料等材料的生长需要利用到扫描隧道显微镜超高的分辨本领。扫描隧道显微镜可以与其他实验设备（如分子束外延）结合使用[1]，在高性能材料生长的观察，分辨中有着广泛的应用。本文对扫描隧道显微镜技术及其在航天材料中的应用进行介绍。

关键词：扫描隧道显微镜；航天材料；隧道效应

1扫描隧道显微镜的发展

通常情况下，人类肉眼只能观察到0.1毫米以上的物体，为了能看到细小的物体，人们致力于扩展人眼的分辨能力，人们很早就会利用光线在介质中的折射现象来放大物体，直到17世纪列文虎克发明了世界上第一台光学显微镜，并观察到血红细胞，拉开了近代细胞生物学的序幕。光学显微镜使人们能够看到细胞、细菌大小的物体，视觉得以延伸，但其分辨率最高只能达到100纳米水平，而分辨原子需要0.2纳米的程度，仍远未达到分辨原子的程度。首次“看见原子”是在1956年由德国人Erwin W. Mueller发明的场离子显微镜中实现，其对针尖表面结构的分辨能力达到0.25纳米，可以看到针尖表面上原子的排列与运动。另一个可以“看见原子”的手段是透射式电子显微镜，由美国人Crewe观察到，其分辨能力达到0.2纳米左右。虽然场离子显微镜和透射式电子显微镜可以实现原子级别的分辨率，但是前者只能观察特定针尖表面的原子结构和运动，后者则需要超薄的样品，对被测对象限制很大，不能普遍使用。直到1982年由德国人G.Binning和H.Rohrer共同研制出扫描隧道显微镜，人们第一次能够观察到单个原子在物质表面的排列状态，在原子级别分辨样品有了重大突破，之后基于扫描隧道显微镜的扫描探针技术得到了广泛的发展，在表面科学、材料科学和生命科学等领域的研究有着重大的意义和广泛的应用前景[2]。

2扫描隧道显微镜技术

2.1扫描隧道显微镜工作原理

扫描隧道显微镜的工作原理是量子力学中的隧道效应。对于经典物理来说，当一个粒子的动能低于前方势垒高度时，它不可能通过此势垒，透射系数为零，粒子将完全被弹回。但是在量子力学中，透射系数不等于零，也就是说粒子可以穿过比它能量更高的势垒，此现象称为隧道效应。在扫描隧道显微镜中，将扫描的样品表面当作一个电极，而将探针当做另一个电极，该探针为金属的细针尖。之后将扫描探针慢慢接近样品表面，当它们的间距很小时（＜1nm），如果在二者之间施加一定的电压，电子会在两电极之间运动，从而产生电流，该电流满足以下公式I∝Vbexp（－AΦ½S），Φ＝（Φ1＋Φ2），其中Vb为加在两电极之间的电压，Φ1、Φ2分别为它们的功函数，S为两电极（样品与扫描探针）之间的距离，A是常数。由上式可知，隧穿电流I与样品和扫描探针之间的距离S是负指数关系，当距离S稍微变化（减小0.1纳米），则其电流会发生非常显著变化（增加一个数量级）。这样以来，根据隧道电流的变化，可以得到样品表面高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维样品的表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

2.2扫描隧道显微镜工作模式

STM工作模式有两种，分别为恒高模式和恒流模式[3]，它们的区别是变量的不同。恒高模式是指在扫描过程中，维持针尖的高度一定，来测量样品与针尖之间的隧道电流，根据隧道电流的变化，可以得到样品表面高低起伏变化的信息，从而在电脑上显示出被测样品表面的结构，它的优势在于扫描速度很快，可以快速得到样品形貌图，但其缺点在于如果扫描的样品表面不是很平整，在扫描过程中针尖可能跟样品的凸起处发生碰撞，从而使针尖遭到破坏。横流模式是指在扫描过程中维持隧道电流不变，为了维持隧道电流为指定的数值而不发生改变（样品与针尖之间的距离保持不变），在扫描过程中，随着样品表面起伏变化，针尖也会跟着一起运动，此时样品的形貌就可以由针尖上下运动的轨迹来反应，其缺点在于扫描速度较慢，但它能适用于各种样品表面的成像，因此扫描隧道显微镜扫描过程常采用横流模式。

3扫描隧道显微镜在航天高性能材料中的重要作用

近年来，我国航天事业实现了快速发展，以载人航天、深空探测、二代导航和高分辨对地观测等取得了一些创新性成果。随着航天科技的发展和空间探测任务的不断推进，我国将持续开展空间站建设、深空探测以及新型空间基础设施的建设等一系列航天活动。航天器也将面临新任务、新轨道和新环境的考验，尤其是恶劣辐射环境对航天器结构及功能材料的考验。新的空间任务的逐步开展和航天器长寿命、高可靠的要求对航天器材料提出了新的需求。同时，扫描隧道显微镜在材料高分辨能力上

的优势，也为航天新材料开发和研制的观察上带来了新的机遇。

3.1热防护材料

热防护材料的需求主要来自两个方面：一是航天器在轨运行过程中的极端温度，尤其是地内行星如金星、水星的极端高温和地外行星如天王星的极端低温；二是航天器再入过程中的极端烧蚀高温，最高可以达到1000 ℃以上。目前耐高温材料有聚酞亚胺纤维、聚苯并咪哇纤维和酚醛树脂纤维等，以酚醛树脂纤维为例，它是一种分子量在1000左右的低分子物仿制而成，酚醛树脂由苯酚和甲醛缩聚而得，在其生长过程中，利用扫描隧道显微镜观察其表面形貌，并通过其形貌来反馈生长条件的不足，在一步步优化中得到良好的材料。酚醛树脂纤维的瞬间耐高温性和极低的导热系数是其被用于各种极高低温的主要原因，而良好的材料则是它热防护高品质的基础。

3.2 高性能航天服材料

随着我国空间站的建设和未来的深空基地的需求，航天员面临长期在轨生存，也可能存在较长时间的极端环境下的出舱活动，尤其是针对月球表面或者未来火星表面的出舱行走，月球尘、火星尘、极端高温或低温、带电颗粒等均可能对航天服材料产生严重影响，例如摩擦磨损、带电黏附等，传统的航天服材料难以满足，需要加强高性能航天服材料的研制以及具有更高空间环境适应性的航天服 材料的研制。人们发现聚酰亚胺气凝胶材料具有绝缘、阻燃、隔热、耐高温和柔韧性高等优异性能，是高性能航天服材料的重要研究对象，聚酰亚胺气凝胶是由聚合物分子链构成的相互交联的三维多孔材料，在该材料的初始研制阶段，理论形成后，需要首先将其分子链成功生长出，生长出的分子链通过扫描隧道显微镜观察其形貌是否复合要求，并通过改变生长条件进行优化调整，在该材料生长初期，扫描隧道显微镜是观察其是否生长成功以及是否优化成功的重要设备。

结束语

扫描隧道显微镜近年来在纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等研究领域中都取得了很大的进展。随着我国航天科技的发展，空间站已经实现核心舱的成功发射和航天员的长期在轨驻留，由于火星探测任务、月球基地和其他行星探测等深空探测任务的需求，航天员的在轨时间也将越来越长，这就对航天材料性能提出了更高的需求。扫描隧道显微镜由于其超高的分辨率，在材料生长初期可以观察其生长的过程，在航天材料研制的过程中发挥着重要的作用。开展航天材料的研制和开发，才能进一步满足航天工程任务的需要，进一步提升我国航天创新的能力，为国防科技的发展和国家综合实力的提高贡献力量。

参考文献：

[1] Jia J-F, Ma X, Chen X, et al. STM and MBE: one of the best combinations[J]. Journal of Physics D-Applied Physics, 2011, 44(46).

[2] 程鹏. 拓扑绝缘体表面态的STM研究[D]. 清华大学, 2010.

[3] 王爱伟. 扫描隧道显微镜的电子学设计及其对二维原子分子晶体材料的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院物理研究所), 2020.