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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。此技術(shù)有效并穩(wěn)定地操控金屬探針，且利用量子力學的電子穿隧原理，藉探針在距樣品表面僅約幾個原子大小的范圍內(nèi)來回掃描，讓原子的排列具體地呈現(xiàn)，有助于我們從基本層面來瞭解許多物理及化學現(xiàn)象。此外，科學家也空前地展示了搬移原子的能力，同時也能人為地改變電子量子化的狀態(tài)，使製造原子級的材料和元件，已不再只是夢想。自掃描穿隧顯微術(shù)問世以來，已衍生出許多相關(guān)技術(shù)，用途更擴展至許多不同的研究領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)，對人類明日的高科技，將造成重大的影響。

黃英碩、張嘉升
一、前言

在科學發(fā)展史上，顯微技術(shù)一直隨著人類科技文明而不斷地突破，科學研究及工業(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，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��；實驗室正積極進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)視為未來的明星材料。由此看來，人類對更高解析度顯微術(shù)的需求相當迫切。最終的目的是希望能夠看到單一的原子，進而能從最基本的原子層級來瞭解材料的各種物理及化學特性，并藉掌控原子來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，近年來也有突破性的發(fā)展。當一個物件很小時，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，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；若有一個界面出了差錯，整個產(chǎn)品即不能使用。所以，在我們目前所處的個人電腦時代所代表的「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者瞭解許多表面（界面）或微小物體的物理、化學、機械、電子等方面的性質(zhì)；消極性功能則在檢測和分析產(chǎn)品失敗的原因。

光學顯微鏡是最早被發(fā)展出來增進人類微觀視野的工具。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（~1mm），這樣的解析度已不符目前的需求。為達到~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光源的必然的選擇；同時，以電或磁場效應(yīng)設(shè)計的透鏡也應(yīng)運而生，造就了電子顯微鏡的時代。1940年代發(fā)展出來的掃描電子顯微鏡（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)代科技中一項重要技術(shù)。其主要原理與傳統(tǒng)光學顯微鏡類似，只不過以電子取代了光波，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實驗室所發(fā)展出來的一種新技術(shù)──掃描穿隧顯微術(shù)（scanning tunneling microscopy，簡稱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別地呈現(xiàn)出來。STM的操作方式，迥異于光學及電子顯微鏡，并未使用鏡片，而是用一支極細的金屬針，沿材料表面的高低起伏掃描，藉掃描時導(dǎo)致的穿隧電流變化來成像。預(yù)測此技術(shù)將對物理、化學、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的桂冠。

為了突顯該顯微術(shù)之優(yōu)異性，表一列舉了光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、及掃描穿隧顯微鏡（STM）之簡單功能比較。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；再加上其造價低于電子顯微鏡，體積小，設(shè)計彈性又很高，因此易與其它系統(tǒng)整合；若與光學顯微鏡結(jié)合，可以說是「鉅細靡遺」。當然，STM也有些缺點，如不導(dǎo)電樣品或表面高度落差過大的材料就不適用。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