本文標(biāo)題:百年回顧，掃描式隧道顯微鏡

　　自從第一臺(tái)顯微鏡被發(fā)明以來(lái)，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(duì)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(kāi)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(jiǎng)，并且被廣泛認(rèn)為是打開(kāi)納米技術(shù)和在多個(gè)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(kāi)發(fā)的。通過(guò) 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(duì)原子表面的研究— 由于表面的獨(dú)特特征，這是一個(gè)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(méi)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(zhǎng)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(wú)法清晰地觀察單個(gè)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(jí)觀察并處理原子。為了做到這一點(diǎn)，他們開(kāi)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(gè)表面接近時(shí)，其原子云疊加到上面，并發(fā)生原子交換。

　　通過(guò)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(cè)量出來(lái)。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(guò)這些信息，我們可以建立樣本表面的三維原子級(jí)地圖。

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

　　在設(shè)計(jì) STM 的前幾個(gè)月內(nèi)，兩位發(fā)明人必須對(duì)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(jí)的測(cè)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(dòng);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(gè)原子高度分隔開(kāi)的大平臺(tái)。據(jù)Binnig 在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)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(gè)全新的世界。”

　　經(jīng)過(guò)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(jiǎng)都開(kāi)始認(rèn)識(shí)到了Binnig 和Rohrer 的發(fā)明的重要意義，他們有史以來(lái)第一次能夠了解納米級(jí)世界的每個(gè)原子和分子。

　　STM也可用于推拉每個(gè)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(tái)STM 制造出來(lái)五年后向 Binnig 和Rohrer授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)表示，這項(xiàng)發(fā)明開(kāi)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(gè)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(kāi)發(fā)出來(lái)，它通過(guò)對(duì)非導(dǎo)電材料進(jìn)行成像而開(kāi)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(wú)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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