掃描探針顯微鏡功不可沒
歷史發(fā)展
最早發(fā)明的光學(xué)顯微鏡，能觀察我們?nèi)庋劭床灰姷纳锛?xì)胞，后來發(fā)明了電子顯微鏡，能進(jìn)一步看到細(xì)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(jì)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(jìn)入到納米層次。納米相當(dāng)于頭發(fā)絲的幾十萬(wàn)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(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)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(jiǎn)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(xué)中的很多問題，使兩位科學(xué)家獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其后1986年原子力顯微鏡（簡(jiǎn)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(duì)物質(zhì)表面的微結(jié)構(gòu)（原子、分子級(jí)別）信息，如成分、溫度、硬度、表面電勢(shì)和電容繪圖以及磁、電、粘著、摩擦等信息進(jìn)行測(cè)量和分析，因而它們又被稱為繼光學(xué)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(chǎng)光學(xué)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(gè)品種。但大量還處在實(shí)驗(yàn)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(gè)個(gè)原子、分子。最早的成果是IBM的科學(xué)家用一個(gè)個(gè)氙原子在鉑表面上排布成IBM商標(biāo)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(gè)個(gè)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(xué)、科研及工業(yè)領(lǐng)域，特別是半導(dǎo)體集成電路、光盤工業(yè)、膠體化學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)、存儲(chǔ)磁盤、電池工業(yè)、光學(xué)晶體等領(lǐng)域。隨著SPM的不斷發(fā)展，它正在進(jìn)入食品、石油、地質(zhì)、礦產(chǎn)及計(jì)量領(lǐng)域。
工作原理
這種顯微鏡是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，通過一個(gè)由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的探針在物體表面作精確的二維掃描，其掃描精度達(dá)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(gè)原子大小的粗細(xì)，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(shí)若在探針與樣品表面之間加一上定的偏壓，就會(huì)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(duì)探針與物體表的間距十分靈敏，從而在探針掃描時(shí)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(jì)算機(jī)重建后就可以計(jì)算機(jī)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(xué)顯微鏡所受的Abbe
囿限，能夠以空前的高分辨率探測(cè)原子與分子的形狀，確定物體的電、磁與機(jī)械特性，甚至能確定溫度變化的情況。這種顯微鏡在物理學(xué)、化學(xué)、生物、微電子學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用，以至人們逐漸認(rèn)識(shí)到：這類顯微鏡的問世不僅僅是顯微技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，而且標(biāo)志著一個(gè)科技新紀(jì)元--納米科技時(shí)代的開始。
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