扫描隧道显微镜的原理及应用(获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜是如何工作的)

Posted 2023-05-27

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扫描隧道显微镜的原理及应用(获得诺贝尔物理学奖的扫描隧道显微镜是如何工作的)

1970年代后期，瑞士苏黎世的两位物理学家想做一件以前没人做过的事：观察金属片中的单个原子。这两个物理学家是格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔，当时他们都对研究可用于电子产品的材料感兴趣，例如硅。他们认为，如果科学家们能在原子水平上看到这些表面，他们就能更好地理解它们，这样也许他们可以制造出更高效、更紧凑的电子产品。

问题是，宾宁和罗雷尔必须先发明显微新技术，才能够完成接下来的事情。几十年后，他们做到了。在此过程中，这两位科学家发明了一种新型显微镜，它进入了世界各地的实验室，改变了我们对各种数据的研究。

在此之前，看到一个原子还是非常困难的，这需要一些特殊的显微镜经过特殊的处理才能勉强看到一个原子。这种情况对于宾宁和罗雷尔来说显然是不够的，他们想看到的是整个表面上的所有单个原子。

简介

普通的光学显微镜之所以能看到小物体，是因为光线穿过它们或从它们身上反射回来。但是可见光的波长远远大于原子的长度，它们无法分辨出接近单个原子大小的东西。所以第一批观察到原子的显微镜的工作方式显然不同，例如电子显微镜用电子代替可见光，但还是没有足够高的分辨率来捕捉每个原子，因此非常依赖计算机来填补空白。

所以宾宁和罗雷尔想发明一种可以做得更好的新型显微镜。他们提出了一种设计，可以放大比当时最好的显微镜小10倍的物体。根据他们的设计方案，它就像一根悬停在胶片上的针，高分辨率主要来自于针的锋利度。在这种情况下，他们希望能够检测到表面上的每一个原子，因此针需要非常锋利。事实上，它的尖端要接近于单个原子级别的锋利度。

尖端制备

两位研究人员使用一种称为电化学蚀刻的技术，来制造超锋利的金属尖端。要以这种方式制造针头，必须从一根普通的线开始。他们选择了用钨来制作这根普通的线，然后把这根线连接到另一块金属板上，再把整体浸入氢氧化物溶液中，只留下部分钨丝伸出液面。由于该尖端暴露在外，因此液体在其周围形成所谓的弯月面，这意味着液体会略微向上吸。

接下来，如果在两种金属之间施加电压，电荷将开始在它们之间移动，这将在弯月面处引发化学反应。浸没的钨会与溶液中的氢氧化物发生反应，产生一种叫做钨酸盐的东西。这种钨酸盐会溶解，使金属丝在弯月面变得越来越细。最终，金属钨丝变得如此之细，最后发生断裂，留下了一个非常锋利的尖端。理想状态下，这个尖端只有一个原子那么大。但是这个过程并不完美，所以通常还需要稍微磨尖一点。他们通过将尖端暴露在非常高的电场中来锐化尖端。

但是制作尖端只是成功的一半，接下来是将尖端降低到他们想要研究的表面。由于他们想要处理如此精细的细节，他们需要完全控制任何制动，否则尖端或样品可能会以不可预测的方式移动。这并不是一件容易的事情，因为各种各样的事物都会产生振动。在原子水平上，即使是脚步声也可能像地震一样。因此，两位研究人员决定使用磁铁悬浮整个设备。

隧道电流

一旦这些步骤都到位了，就该追踪样品中的原子并获得数据了。但要做到这一点，他们需要一种方法来确定针何时直接位于原子上方。由于尖端本身只有一个原子大小，所以样品看起来不像一张光滑的薄片，它看起来就像一堆原子以各种复杂的结构堆积在一起。在这里，一个关键的原理就是量子隧道效应。

两位研究人员通过给针和样品分别赋予不同的电位来鼓励电子跳跃。电子会在两者之间跳跃，并产生所谓的隧道电流。隧道电流的强度很大程度上取决于针与给定原子的接近程度。如果电流较强，那基本上意味着针头正悬停在一个原子的顶部；如果电流非常微弱，那么针头正远离单个原子。

这种关键的理解是整个技术的突破，仅仅三年之后（1981年），宾宁和罗雷尔用一根针扫描了硅样品的表面，利用他们对隧道电流的了解，使用计算机软件创造了表面的图像。那一年，他们用新技术制造了第一张原子图像。他们创造的显微镜后来被称为扫描隧道显微镜（STM），并在1986年获得了诺贝尔物理学奖。