掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡納米技術(shù)的開展與掃描隧道顯微鏡的創(chuàng)造和應(yīng)用密切相關(guān)。正是掃描隧道顯微鏡的出現(xiàn)，催生出掃描隧道顯微技術(shù)，并展示出誘人的功能和潛力，尤其是利用隧道掃描技術(shù)可以直接控制納米級物質(zhì)的擺放，從而給納米技術(shù)注入了不可估量的活力。掃描隧道顯微鏡于1981年由格爾德·賓寧和海因里希·羅雷爾在IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造，兩位創(chuàng)造者因此與透射電子顯微鏡的創(chuàng)造者魯斯卡一起獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎。掃描隧道顯微鏡具有很高的分辨率，可以觀察、測量物體外表單個原子和分子的排列狀態(tài)以及電子在外表的行為?？梢杂眠@么一個比喻來形容掃描隧道顯微鏡的分辨本領(lǐng)：用掃描隧道顯微鏡可以把一個原子放大到一個網(wǎng)球大小的尺寸，這相當(dāng)于把一個網(wǎng)球放大到地球那么大。也可以利用掃描隧道顯微鏡的探針尖端精確操縱原子，進(jìn)行單個原子和分子的搬遷、去除、添加和重組，構(gòu)造出新結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，是納米科技領(lǐng)域重要的測量和加工工具。1993年5月,位于美國加州Almaden的IBM研究中心的等人,在4K〔4開爾文,-269攝氏度〕溫度下用電子束將單層鐵原子蒸發(fā)到清潔的銅外表,然后用掃描隧道顯微鏡操縱這些鐵原子,將它們排成一個由48個原子組成的圓圈.圓圈的平均半徑為7.13納米,相鄰鐵原子之間的平均距離為0.95納米.這個原子圈雖然是由離散原子組成的,因而并不連續(xù),但卻能夠像柵欄一樣圍住圈內(nèi)處于銅外表的自由電子,故而得名“量子圍欄”，如下列圖。之后，我國科學(xué)家亦操縱原子寫出“中國”兩字，并通過排列原子繪出中國輪廓圖?！苍捳f國內(nèi)技術(shù)還是不如國外哈，兩字寫得真難看。。?！硳呙杷淼里@微鏡的工作原理非常簡單，基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)和三維掃描。一根非常細(xì)的鎢金屬探針〔針尖極為鋒利，僅由一個原子組成，為0.1~1納米〕慢慢地劃過被分析的樣品，如同一根唱針掃過一張唱片。在正常情況下互不接觸的兩個電極〔探針和樣品〕之間是絕緣的。然后當(dāng)探針與樣品外表距離很近，即小于1納米時，針尖頭部的原子和樣品外表原子的電子云發(fā)生重疊。此時假設(shè)在針尖和樣品之間加上一個電壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的絕緣勢壘而形成納安級〔10的-9次方安培〕的隧道電流，從一個電極〔探針〕流向另一個電極〔樣品〕，正如不必再爬過高山，卻可以通過隧道而從山下通過一樣。當(dāng)其中一個電極是非常鋒利的探針時，由于尖端效