扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜

纳米技术的发展与扫描隧道显微镜的发明和应用密切相关。正是扫描隧道显微镜的出现，催生出扫描隧道显微技术，并展示出诱人的功能和潜力，尤其是利用隧道扫描技术可以直接控制纳米级物质的摆放，从而给纳米技术注入了不可估量的活力。

扫描隧道显微镜于1981年由格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在IBM苏黎世实验室发明，两位发明者因此与透射电子显微镜的发明者鲁斯卡一起获得了1986年的诺贝尔物理学奖。扫描隧道显微镜具有很高的分辨率，可以观察、测量物体表面单个原子和分子的排列状态以及电子在表面的行为。可以用这么一个比喻来形容扫描隧道显微镜的分辨本领：用扫描隧道显微镜可以把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，这相当于把一个网球放大到地球那么大。

也可以利用扫描隧道显微镜的探针尖端精确操纵原子，进行单个原子和分子

的搬迁、去除、添加和重组，构造出新结构的物质，是纳米科技领域重要的测量和加工工具。1993年5月,位于美国加州Almaden的IBM研究中心的M.F.Crommie 等人,在4K（4开尔文,-269摄氏度）温度下用电子束将单层铁原子蒸发到清洁的铜表面,然后用扫描隧道显微镜操纵这些铁原子,将它们排成一个由48个原子组成的圆圈.圆圈的平均半径为7.13纳米,相邻铁原子之间的平均距离为0.95纳米.这个原子圈虽然是由离散原子组成的,因而并不连续,但却能够像栅栏一样围住圈内处于铜表面的自由电子,故而得名“量子围栏”，如下图。

之后，我国科学家亦操纵原子写出“中国”两字，并通过排列原子绘出中国轮廓图。（话说国内技术还是不如国外哈，两字写得真难看。。。）

扫描隧道显微镜的工作原理非常简单，基于量子力学的隧道效应和三维扫描。一根非常细的钨金属探针（针尖极为尖锐，仅由一个原子组成，为0.1~1纳米）慢慢地划过被分析的样品，如同一根唱针扫过一张唱片。在正常情况下互不接触的两个电极（探针和样品）之间是绝缘的。然后当探针与样品表面距离很近，即小于1纳米时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个电压，电子便会穿过针尖和样品之间的绝缘势垒而形成纳安级（10的-9次方安培）的隧道电流，从一个电极（探针）流向另一个电极（样

品），正如不必再爬过高山，却可以通过隧道而从山下通过一样。当其中一个电极是非常尖锐的探针时，由于尖端效应而使隧道电流加大。将得到的电流信息采集起来，再通过计算机处理，可以得到样品表面原子排列的图像。