扫描探针显微镜功不可没

历史发展

    最早发明的光学显微镜，能观察我们肉眼看不见的生物细胞，后来发明了电子显微镜，能进一步看到细胞内部的结构。这些都是在微米尺度上的观察。所谓微米，就是头发丝的几十分之一。到了20世纪八十年代，扫描隧道显微镜的发明，使人们的观察视野更深入了一步，进入到纳米层次。纳米相当于头发丝的几十万分之一，能看到物质内部的分子和原子。

    1982年IBM公司苏黎士研究实验室的两位科学家比尼西（Binning）和卢勒(Rohrer)利用原子之间的隧道电流效应发明了扫描隧道显微镜（简称STM），从而使人们第一次直观地看到了原子、分子，被人们称为可以看得见原子的显微镜。
图：扫描探针显微镜

    STM的发明解开了物理学中的很多问题，使两位科学家获得了1986年的诺贝尔物理学奖。其后1986年原子力显微镜（简称AFM）诞生，它的出现加深、拓宽了应用范围，可以综合地对物质表面的微结构（原子、分子级别）信息，如成分、温度、硬度、表面电势和电容绘图以及磁、电、粘着、摩擦等信息进行测量和分析，因而它们又被称为继光学显微镜、电子显微镜后的第三代显微镜。

    目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、侧面力显微镜（IFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力显微镜（SPFM）……已有二十多个品种。但大量还处在实验室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。

    SPM与前二代显微镜不仅成像原理不同，而且更为令人兴奋的是SPM中的某些品种还能操纵一个个原子、分子。最早的成果是IBM的科学家用一个个氙原子在铂表面上排布成IBM商标字样。目前在操纵原子、分子上又有很大发展，人们有朝一日终将按照自己的意志直接操纵一个个原子来制造具有特定功能的产品。SPM使人类在纳米尺度上，观察、改造世界有了一种新的工具和手段。由于SPM的优良特性，使其一诞生便得到广泛的重视。主要应用在教学、科研及工业领域，特别是半导体集成电路、光盘工业、胶体化学、医疗检测、存储磁盘、电池工业、光学晶体等领域。随着SPM的不断发展，它正在进入食品、石油、地质、矿产及计量领域。

工作原理

    这种显微镜是基于量子力学的隧道效应，通过一个由压电陶瓷驱动的探针在物体表面作精确的二维扫描，其扫描精度达到几分之一毫微米（即纳米=10^-9）。该探针尖端可以制成只有一个原子大小的粗细，并且位于距样品表面足够近的距离内，以使探针尖端与样品表面之处的电子支有些微重叠。这时若在探针与样品表面之间加一上定的偏压，就会有一种被称作为隧道电流的电子流流过探针。这种隧道电流对探针与物体表的间距十分灵敏，从而在探针扫描时通过感知这种隧道电流的变化就可以记录下物体表面的起伏情况。这些信息再经计算机重建后就可以计算机屏幕上获得反映物体表面形貌的直观图象。这就是扫描隧道显微镜的工作原理。

    这种显微镜轻而易举地克服了光学显微镜所受的Abbe 囿限，能够以空前的高分辨率探测原子与分子的形状，确定物体的电、磁与机械特性，甚至能确定温度变化的情况。这种显微镜在物理学、化学、生物、微电子学与材料科学等领域获得了极为广泛的应用，以至人们逐渐认识到：这类显微镜的问世不仅仅是显微技术的长足发展，而且标志着一个科技新纪元--纳米科技时代的开始。

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