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扫描式隧道显微镜

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自从第一台显微镜被发明以来,世界各地的研究人员和科学家不断寻找新的方式,力求进一步加深对于微观世界的了解。1981年,IBM 公司的两位研究人员 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 发明了扫描式隧道显微镜 (STM),开辟了微观科学的新天地。

Binnig 和 Rohrer 前所未有的发明使科学家能够观察由分子和原子组成的世界。STM 在 1986年获得了诺贝尔物理学奖,并且被广泛认为是打开纳米技术和在多个领域中广泛探索的大门,包括电化学、半导体科学和分子生物学。

STM 是由两位希望进一步拓宽科研边界的科学家合作开发的。通过 20世纪 70年代末在IBM苏黎世实验室共同合作,Binnig 和 Rohrer 凭借在超导性研究领域的背景,都热衷于对原子表面的研究— 由于表面的独特特征,这是一个极为复杂而且让科学家感到困惑的主题。但是,他们的探索受到了现有工具状态的限制。没有一种技术允许科学家直接探索表面的电子结构和缺陷。

普通的显微镜采用光学镜头,可以观察比光波长还要小的物体。电子显微镜可以观察更小的物体,而清晰度高于光学显微镜,但仍无法清晰地观察单个原子。

于是,Binnig 和 Rohrer 决定设计出自己的仪器 – 能够在纳米级观察并处理原子。为了做到这一点,他们开始试验隧道方法,这是一种量子现象,即原子从固体表面脱离,形成一种笼罩在表面的云;在另一个表面接近时,其原子云叠加到上面,并发生原子交换。

通过调整极短距离内的样本表面上的尖锐金属导线,Binnig 和 Rohrer 发现,导线和表面之间的电流量可以测量出来。电流的变化可提供关于内部结构和表面的高度地形信息。通过这些信息,我们可以建立样本表面的三维原子级地图。

1979年 1月,Binnig 和 Rohrer 提交了关于STM的第一个专利申请。很快,在同事 Christoph Gerber 的帮助下,他们开始设计制造显微镜。

在设计 STM 的前几个月内,两位发明人必须对原始设计进行一系列调整,以准确地产生如此微小量级的测量结果。这些更改减少了变化和噪声;更准确地控制扫描导线的位置和移动;并且提高了探针导线本身的锐度。

他们的第一次试验是采用金晶体的表面结构。最终的图像显示了各行间隔精确的原子和由一个原子高度分隔开的大平台。据 Binnig 在诺贝尔奖颁奖仪式上关于最初试验的讲座中谈到,“我目不转睛地盯着图像。我进入了一个全新的世界。”

经过多显微镜的多次调整,其机械设计的精度大大提高,而且图像也更加清晰。很快,全世界的科学奖都开始认识到了 Binnig 和 Rohrer 的发明的重要意义,他们有史以来第一次能够了解纳米级世界的每个原子和分子。

STM 也可用于推拉每个原子,因此,这也标志着人类第一次能够处理如此之小的物体。

在第一台 STM 制造出来五年后向 Binnig 和 Rohrer 授予诺贝尔物理学奖时,诺贝尔奖委员会表示,这项发明开辟了“物质结构研究……的新天地”。 Binnig 和 Rohrer 具有突破意义的发明是纳米技术研究的起点— IBM 在这个领域一直作为先驱者。由于其高分辨率的成像能力和广泛的适用性,STM 主要应用于物理、化学、工程设计和材料科学领域。

原子力显微镜 (AFM) 是 STM 的后代产品,由 Binnig 在 1986年开发出来,它通过对非导电材料进行成像而开辟了显微镜的全新应用领域。除了 AFM 之外,Binnig 和 Rohrer 的扫描式隧道显微镜还导致相关仪器和技术的出现,使我们观察、探索和处理以前无法观察到的表明和材料的能力发生了革命性变化。

IBM 专家

Andreas Heinrich

Andreas Heinrich
研究员

Andreas Heinrich 博士是扫描探针望远镜项目的主管。Heinrich 博士带领的小组进行的试验注重探索纳米结构对于原子级逻辑和数据存储的潜在应用,从而扩展关于原子级结构的物理、化学和材料属性的知识。

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