本文標(biāo)題:百年回顧，掃描式隧道顯微鏡

　　自從第一臺顯微鏡被發(fā)明以來，世界各地的研究人員和科學(xué)家不斷尋找新的方式，力求進(jìn)一步加深對于微觀世界的了解。1981年，IBM 公司的兩位研究人員Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 發(fā)明了掃描式隧道顯微鏡 (STM)，開辟了微觀科學(xué)的新天地。

　　Binnig 和 Rohrer 前所未有的發(fā)明使科學(xué)家能夠觀察由分子和原子組成的世界。STM 在 1986年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，并且被廣泛認(rèn)為是打開納米技術(shù)和在多個領(lǐng)域中廣泛探索的大門，包括電化學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)和分子生物學(xué)。

　　STM 是由兩位希望進(jìn)一步拓寬科研邊界的科學(xué)家合作開發(fā)的。通過 20世紀(jì) 70年代末在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室共同合作，Binnig 和 Rohrer 憑借在超導(dǎo)性研究領(lǐng)域的背景，都熱衷于對原子表面的研究— 由于表面的獨(dú)特特征，這是一個極為復(fù)雜而且讓科學(xué)家感到困惑的主題。但是，他們的探索受到了現(xiàn)有工具狀態(tài)的限制。沒有一種技術(shù)允許科學(xué)家直接探索表面的電子結(jié)構(gòu)和缺陷。

　　普通的顯微鏡采用光學(xué)鏡頭，可以觀察比光波長還要小的物體。電子顯微鏡可以觀察更小的物體，而清晰度高于光學(xué)顯微鏡，但仍無法清晰地觀察單個原子。

　　于是，Binnig 和Rohrer 決定設(shè)計(jì)出自己的儀器–能夠在納米級觀察并處理原子。為了做到這一點(diǎn)，他們開始試驗(yàn)隧道方法，這是一種量子現(xiàn)象，即原子從固體表面脫離，形成一種籠罩在表面的云;在另一個表面接近時，其原子云疊加到上面，并發(fā)生原子交換。

　　通過調(diào)整極短距離內(nèi)的樣本表面上的尖銳金屬導(dǎo)線，Binnig 和 Rohrer 發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線和表面之間的電流量可以測量出來。電流的變化可提供關(guān)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面的高度地形信息。通過這些信息，我們可以建立樣本表面的三維原子級地圖。

　　1979年 1月，Binnig 和 Rohrer 提交了關(guān)于STM的第一個專利申請。很快，在同事Christoph Gerber 的幫助下，他們開始設(shè)計(jì)制造顯微鏡。

　　在設(shè)計(jì) STM 的前幾個月內(nèi)，兩位發(fā)明人必須對原始設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列調(diào)整，以準(zhǔn)確地產(chǎn)生如此微小量級的測量結(jié)果。這些更改減少了變化和噪聲；更準(zhǔn)確地控制掃描導(dǎo)線的位置和移動;并且提高了探針導(dǎo)線本身的銳度。

　　他們的第一次試驗(yàn)是采用金晶體的表面結(jié)構(gòu)。最終的圖像顯示了各行間隔精確的原子和由一個原子高度分隔開的大平臺。據(jù)Binnig 在諾貝爾獎頒獎儀式上關(guān)于最初試驗(yàn)的講座中談到，“我目不轉(zhuǎn)睛地盯著圖像。我進(jìn)入了一個全新的世界。”

　　經(jīng)過顯微鏡的多次調(diào)整，其機(jī)械設(shè)計(jì)的精度大大提高，而且圖像也更加清晰。很快，全世界的科學(xué)獎都開始認(rèn)識到了Binnig 和Rohrer 的發(fā)明的重要意義，他們有史以來第一次能夠了解納米級世界的每個原子和分子。

　　STM也可用于推拉每個原子，因此，這也標(biāo)志著人類第一次能夠處理如此之小的物體。

　　在第一臺STM 制造出來五年后向 Binnig 和Rohrer授予諾貝爾物理學(xué)獎時，諾貝爾獎委員會表示，這項(xiàng)發(fā)明開辟了“物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究……的新天地”。Binnig 和Rohrer具有突破意義的發(fā)明是納米技術(shù)研究的起點(diǎn)— IBM 在這個領(lǐng)域一直作為先驅(qū)者。由于其高分辨率的成像能力和廣泛的適用性，STM 主要應(yīng)用于物理、化學(xué)、工程設(shè)計(jì)和材料科學(xué)領(lǐng)域。

　　原子力顯微鏡 (AFM) 是STM 的后代產(chǎn)品，由Binnig 在1986年開發(fā)出來，它通過對非導(dǎo)電材料進(jìn)行成像而開辟了顯微鏡的全新應(yīng)用領(lǐng)域。除了AFM 之外，Binnig 和 Rohrer 的掃描式隧道顯微鏡還導(dǎo)致相關(guān)儀器和技術(shù)的出現(xiàn)，使我們觀察、探索和處理以前無法觀察到的表明和材料的能力發(fā)生了革命性變化。

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