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正文:

掃描穿隧顯微術(shù)掃描電子顯微鏡的發(fā)展史！***************************************************

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掃描穿隧顯微術(shù)起源于1980年代初期，利用它能解析出晶體表面的原子結(jié)構(gòu)及電子分佈情形，發(fā)明人G. Binnig及H. Rohrer因此于1986年獲頒諾貝爾物理獎(jiǎng)。此技術(shù)有效并穩(wěn)定地操控金屬探針，且利用量子力學(xué)的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅約幾個(gè)原子大小的范圍內(nèi)來(lái)回掃描，讓原子的排列具體地呈現(xiàn)，有助于我們從基本層面來(lái)瞭解許多物理及化學(xué)現(xiàn)象。此外，科學(xué)家也空前地展示了搬移原子的能力，同時(shí)也能人為地改變電子量子化的狀態(tài)，使製造原子級(jí)的材料和元件，已不再只是夢(mèng)想。自掃描穿隧顯微術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已衍生出許多相關(guān)技術(shù)，用途更擴(kuò)展至許多不同的研究領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)，對(duì)人類(lèi)明日的高科技，將造成重大的影響。

黃英碩、張嘉升
一、前言

在科學(xué)發(fā)展史上，顯微技術(shù)一直隨著人類(lèi)科技文明而不斷地突破，科學(xué)研究及工業(yè)技術(shù)，也隨著新的顯微技術(shù)的發(fā)明而推升至更微小的世界。近十年來(lái)，工業(yè)界的半導(dǎo)體電路技術(shù)由次微米（submicron, 1 micron=10-6 m）推向深次微米，新的電子元件也越做越��；實(shí)驗(yàn)室正積極進(jìn)行的超薄膜及超晶格（superlattice）技術(shù)，也要求到原子層的精確控制；很多人將奈米（nanometer, 1 nanometer = 10-9 m）大小的結(jié)構(gòu)視為未來(lái)的明星材料。由此看來(lái)，人類(lèi)對(duì)更高解析度顯微術(shù)的需求相當(dāng)迫切。最終的目的是希望能夠看到單一的原子，進(jìn)而能從最基本的原子層級(jí)來(lái)瞭解材料的各種物理及化學(xué)特性，并藉掌控原子來(lái)製造新材料及新元件。就表面顯微技術(shù)(1) 而言，為因應(yīng)這樣的趨勢(shì)，近年來(lái)也有突破性的發(fā)展。當(dāng)一個(gè)物件很小時(shí)，其表面積與體積的比例增加了，表面的物性已不容忽略；如果到達(dá)目前工業(yè)界常用的薄膜尺寸，區(qū)分表面與內(nèi)體（bulk）已無(wú)太大的意義。為了使產(chǎn)品精巧，許多不同功能的小元件，必須有效地連結(jié)起來(lái)，發(fā)揮特殊的效果。因此，在這些小元件間便產(chǎn)生許多功能性的界面；若有一個(gè)界面出了差錯(cuò)，整個(gè)產(chǎn)品即不能使用。所以，在我們目前所處的個(gè)人電腦時(shí)代所代表的「小、巧、快」的文化中，表面顯微技術(shù)所扮演的角色是十分重要的。它的積極性功能在幫助學(xué)者瞭解許多表面（界面）或微小物體的物理、化學(xué)、機(jī)械、電子等方面的性質(zhì)；消極性功能則在檢測(cè)和分析產(chǎn)品失敗的原因。

光學(xué)顯微鏡是最早被發(fā)展出來(lái)增進(jìn)人類(lèi)微觀視野的工具。其主要結(jié)構(gòu)包括：接物鏡、接目鏡及光源。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡所能提供的最佳解析度，大約等于其使用光源的波長(zhǎng)（~1mm），這樣的解析度已不符目前的需求。為達(dá)到~nm的解析度，使用的光源必須是Ｘ光；然而製作能使Ｘ光聚焦的鏡片并不容易。因此，電子束便成為取代可見(jiàn)光源的必然的選擇；同時(shí)，以電或磁場(chǎng)效應(yīng)設(shè)計(jì)的透鏡也應(yīng)運(yùn)而生，造就了電子顯微鏡的時(shí)代。1940年代發(fā)展出來(lái)的掃描電子顯微鏡（SEM），將解析度提高至約20埃（A, 1A = 10-10m, 原子直徑約為2-3 A），而成為現(xiàn)代科技中一項(xiàng)重要技術(shù)。其主要原理與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡類(lèi)似，只不過(guò)以電子取代了光波，玻璃鏡片換成了電磁鏡片。

本文將介紹1980年代初期在瑞士的IBM實(shí)驗(yàn)室所發(fā)展出來(lái)的一種新技術(shù)──掃描穿隧顯微術(shù)（scanning tunneling microscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)STM）(2-4)，能提供物體表面原子結(jié)構(gòu)的影像，使組成微觀世界中的原子或分子個(gè)別地呈現(xiàn)出來(lái)。STM的操作方式，迥異于光學(xué)及電子顯微鏡，并未使用鏡片，而是用一支極細(xì)的金屬針，沿材料表面的高低起伏掃描，藉掃描時(shí)導(dǎo)致的穿隧電流變化來(lái)成像。預(yù)測(cè)此技術(shù)將對(duì)物理、化學(xué)、生物、及材料等領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響。在1986年，發(fā)明者即因此獲頒諾貝爾物理獎(jiǎng)的桂冠。

為了突顯該顯微術(shù)之優(yōu)異性，表一列舉了光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、及掃描穿隧顯微鏡（STM）之簡(jiǎn)單功能比較。很明顯地，STM在空間解析度上優(yōu)于另二者，尤其是垂直表面（z）方向，電子顯微鏡不太能分辨10nm以下的高度差，用STM就不難達(dá)到0.01nm的解析度。再者，放入電子顯微鏡觀察之前，非金屬樣品需事先處理。但有些樣品如生物分子，在乾燥及鍍導(dǎo)電膜等程序處理過(guò)后，往往與原始狀態(tài)有所不同。另一方面，電子顯微鏡的高能量電子束對(duì)某些樣品（尤其是脆弱的生物分子）具有破壞性。STM則不具破壞性，樣品也通常不需事先處理，更可在真空、空氣、水溶液等各種環(huán)境下操作，限制很少；再加上其造價(jià)低于電子顯微鏡，體積小，設(shè)計(jì)彈性又很高，因此易與其它系統(tǒng)整合；若與光學(xué)顯微鏡結(jié)合，可以說(shuō)是「鉅細(xì)靡遺」。當(dāng)然，STM也有些缺點(diǎn)，如不導(dǎo)電樣品或表面高度落差過(guò)大的材料就不適用。況且，STM掃描速度仍比不上SEM，產(chǎn)品成熟度及穩(wěn)定性也還不夠；這些主要是因STM技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，商業(yè)化產(chǎn)品近數(shù)年才出現(xiàn)。

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出自http://www.bjsgyq.com/北京顯微鏡百科