掃描隧道顯微鏡20世紀(jì)重大科技成果之一(存儲(chǔ)版)
【正文】 一個(gè)數(shù)量級(jí)．當(dāng)一個(gè)電極由平板狀改變?yōu)獒樇鉅顣r(shí)就要用隧道結(jié)構(gòu)的三維理論來計(jì)算隧道電流．計(jì)算結(jié)果是： （5）其中是費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)， V是針尖和表面之間電壓，Eμ和Eν分別是針尖和表面的某一能態(tài)，Mμν是隧道矩陣元． 式中是波函數(shù)，括號(hào)中的量是電流算符，積分對(duì)整個(gè)表面進(jìn)行；這就是STM的理論依據(jù)． 3．STM的技術(shù)實(shí)現(xiàn) 任何一項(xiàng)重大科技進(jìn)步都是在前人眾多成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)基礎(chǔ)上，由若干具有遠(yuǎn)見卓識(shí)的人經(jīng)過持之不懈的探索再加之以畫龍點(diǎn)睛式的創(chuàng)舉才能夠取得的，STM發(fā)明也不例外．早在50年代，就有人提出過STM的最初設(shè)想，當(dāng)時(shí)他們希望用光束透射一個(gè)極細(xì)小的圓孔來獲得顯微圖象．因?yàn)榧夹g(shù)條件不成熟而未實(shí)現(xiàn)．70年代初，一位名叫羅伯特多隆特（J．Dellond 1706—1761）等人發(fā)現(xiàn)了用不同的玻璃制作的透鏡加以組合消去色差的辦法，這一發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)光學(xué)玻璃的研究．到了十九世紀(jì)中葉，光學(xué)顯微鏡的放大率已達(dá)到l000到1500倍左右；人們發(fā)現(xiàn)，如果再提高顯微鏡的放大率，映像將變得極不清晰，這就說明光學(xué)顯微鏡的放大本領(lǐng)有一個(gè)難以超越的極限．那么，光學(xué)顯微鏡的性能為什么會(huì)有這個(gè)難以超越的極限呢？決定這個(gè)極限的因素是什么？德國(guó)耶拿大學(xué)的阿貝（E．Abbe 1840—1905）從波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)對(duì)顯微鏡的映像理論進(jìn)行了分析，他認(rèn)為：?jiǎn)栴}并不在于顯微鏡本身，而起因于作為成像媒介的光波．光線是具有一定波長(zhǎng)的光波，光波遇到粒子會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng)．當(dāng)粒子小于光的波長(zhǎng)時(shí)，光波將繞過粒子，因而不產(chǎn)生粒子的陰影，我們也就看不清粒子的像．光學(xué)顯微鏡是用可見光來觀察物體的，由于光的波動(dòng)性產(chǎn)生的衍射效應(yīng)使光學(xué)顯微鏡的分辨極限只能達(dá)到光波的半波長(zhǎng)左右，確切的表達(dá)式為： （1）其中λ為波長(zhǎng)，α為物鏡的孔徑角，N為折射率，d為最小可分辨長(zhǎng)度．顯然在可見光范圍內(nèi)d的最小值約為0．3μm．阿貝從理論上推得，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)不超過2000197。楊（R．Yang）的科學(xué)家在“場(chǎng)發(fā)射顯微鏡”的儀器關(guān)鍵部位上已經(jīng)做到了和如今的STM非常接近．楊和他的同事們采用了一個(gè)極細(xì)小的針尖，通過掃描樣品表面來獲取顯微圖象．然而，他們并未利用隧道電流，而是通過在針尖上加一個(gè)高電壓，從針尖最尖端發(fā)射出一束微小電流（稱為場(chǎng)發(fā)射電流），打擊到樣品表面上，進(jìn)而觀察到其表面形貌．這種被楊稱作“形貌儀”的顯微鏡分辨率只達(dá)到一般光學(xué)顯微鏡的水平（0．2微米）．原因是楊的“形貌儀”當(dāng)中，針尖與樣品表面的距離隔得太遠(yuǎn)，針尖與樣品表面產(chǎn)生不了隧道電流，而只能依靠針尖前端的場(chǎng)發(fā)射電流來成像，分辯率當(dāng)然不會(huì)太高．賓尼希和羅雷爾在看到楊的“形貌儀”后，立即產(chǎn)生了一種天才的想法，利用隧道效應(yīng)再發(fā)明一種新型顯微鏡．從實(shí)際操作的可行性上賓尼希和羅雷爾花了很長(zhǎng)時(shí)間才使這一設(shè)想趨于成熟，并付諸實(shí)際應(yīng)用，于1979年提出了STM這一新型顯微鏡的專利申請(qǐng)．在1981年，他們制作了第一臺(tái)STM實(shí)體，并獲得了若干高分辨率顯微圖象．他們制成的這種新型顯微鏡達(dá)到前所未有的驚人的高分辨率，一舉觀測(cè)到了單個(gè)原子的真面目．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制電路隧道顯微鏡主體若以針尖為一電極，被測(cè)固體表面為另一電極，當(dāng)它們之間的距離小到納米數(shù)量級(jí)時(shí)根據(jù)公式（4）可知：電子可以從一個(gè)電極通過隧道效應(yīng)穿過空間勢(shì)壘到達(dá)另一個(gè)電極形成電流，其電流大小取決于針尖與表面間距及表面的電子狀態(tài)．如果表面是由同一種原子組成，由于電流與間距成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)針尖在被測(cè)表面上方做平面掃描時(shí)，即使表面僅有原子尺度的起伏，電流卻有成十倍的變化，這樣就可用現(xiàn)代電子技術(shù)測(cè)
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