掃描探針顯微鏡功不可沒
歷史發(fā)展
最早發(fā)明的光學顯微鏡，能觀察我們?nèi)庋劭床灰姷纳锛毎�，后來發(fā)明了電子顯微鏡，能進一步看到細胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些都是在微米尺度上的觀察。所謂微米，就是頭發(fā)絲的幾十分之一。到了20世紀八十年代，掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，使人們的觀察視野更深入了一步，進入到納米層次。納米相當于頭發(fā)絲的幾十萬分之一，能看到物質(zhì)內(nèi)部的分子和原子。
1982年IBM公司蘇黎士研究實驗室的兩位科學家比尼西（Binning）和盧勒(Rohrer)利用原子之間的隧道電流效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（簡稱STM），從而使人們第一次直觀地看到了原子、分子，被人們稱為可以看得見原子的顯微鏡。
圖：掃描探針顯微鏡
STM的發(fā)明解開了物理學中的很多問題，使兩位科學家獲得了1986年的諾貝爾物理學獎。其后1986年原子力顯微鏡（簡稱AFM）誕生，它的出現(xiàn)加深、拓寬了應(yīng)用范圍，可以綜合地對物質(zhì)表面的微結(jié)構(gòu)（原子、分子級別）信息，如成分、溫度、硬度、表面電勢和電容繪圖以及磁、電、粘著、摩擦等信息進行測量和分析，因而它們又被稱為繼光學顯微鏡、電子顯微鏡后的第三代顯微鏡。
目前除了隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）以外，還有近場光學顯微鏡（NSOM）、側(cè)面力顯微鏡（IFM）、磁力顯微鏡（MFM）、極化力顯微鏡（SPFM）……已有二十多個品種。但大量還處在實驗室的產(chǎn)品研發(fā)階段。由于它們都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像，因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM）。
SPM與前二代顯微鏡不僅成像原理不同，而且更為令人興奮的是SPM中的某些品種還能操縱一個個原子、分子。最早的成果是IBM的科學家用一個個氙原子在鉑表面上排布成IBM商標字樣。目前在操縱原子、分子上又有很大發(fā)展，人們有朝一日終將按照自己的意志直接操縱一個個原子來制造具有特定功能的產(chǎn)品。SPM使人類在納米尺度上，觀察、改造世界有了一種新的工具和手段。由于SPM的優(yōu)良特性，使其一誕生便得到廣泛的重視。主要應(yīng)用在教學、科研及工業(yè)領(lǐng)域，特別是半導體集成電路、光盤工業(yè)、膠體化學、醫(yī)療檢測、存儲磁盤、電池工業(yè)、光學晶體等領(lǐng)域。隨著SPM的不斷發(fā)展，它正在進入食品、石油、地質(zhì)、礦產(chǎn)及計量領(lǐng)域。
工作原理
這種顯微鏡是基于量子力學的隧道效應(yīng)，通過一個由壓電陶瓷驅(qū)動的探針在物體表面作精確的二維掃描，其掃描精度達到幾分之一毫微米（即納米=10-9）。該探針尖端可以制成只有一個原子大小的粗細，并且位于距樣品表面足夠近的距離內(nèi)，以使探針尖端與樣品表面之處的電子支有些微重疊。這時若在探針與樣品表面之間加一上定的偏壓，就會有一種被稱作為隧道電流的電子流流過探針。這種隧道電流對探針與物體表的間距十分靈敏，從而在探針掃描時通過感知這種隧道電流的變化就可以記錄下物體表面的起伏情況。這些信息再經(jīng)計算機重建后就可以計算機屏幕上獲得反映物體表面形貌的直觀圖象。這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。
這種顯微鏡輕而易舉地克服了光學顯微鏡所受的Abbe
囿限，能夠以空前的高分辨率探測原子與分子的形狀，確定物體的電、磁與機械特性，甚至能確定溫度變化的情況。這種顯微鏡在物理學、化學、生物、微電子學與材料科學等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用，以至人們逐漸認識到：這類顯微鏡的問世不僅僅是顯微技術(shù)的長足發(fā)展，而且標志著一個科技新紀元--納米科技時代的開始。
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