扫描隧道显微镜的原及应用.PDF

The Working Principle And Application of Scanning Tunneling Microscope 扫描隧道显微镜的原理及应用 黄明俊 封格 刘静远 邓鑫星 胡珀 2006 级北京大学化学与分子工程学院 摘要 扫描隧道显微镜（STM）的发明打开了人类对微观世界观 察的大门，使得人类在纳米尺度上研究单一原子以及单一 分子的反应成为可能。本文回顾了扫描隧道显微镜的发明 过程，总结了它的工作原理，并展望了它在化学、生物等 领域中的应用。 关键字 扫描隧道显微镜 STM 原理 应用 一、扫描隧道显微镜的发明 Auguries of Innocence William Blake, 1863 To see a World in a Grain of Sand And a Heaven in a Wild Flower, Hold Infinity in the palm of your hand And Eternity in an hour. 如果除去这首诗中的神秘主义和宗教意味，那么它恰好与微观世界的某些特点不 谋而合。一朵花由无数个结构精巧的细胞构成，其复杂程度足以称得上 “世界”。但 由于人类生理上的限制，仅凭肉眼是不可能分辨这微观的 “世界”的。然而，从古至 今，人们一直没有放弃对微观世界的探索。1674年，荷兰人列文虎克 （Anthony Van Leeuwenhoek ，1632-1723）发明了光学显微镜，并利用这台显微镜首次观察到了血红 细胞。1931年德国科学家 Ernst Ruska 和 Max Knoll 根据磁场可以会聚电子束的原理 发明了电子显微镜。电子显微镜一出现即展现了它的优势，电子显微镜的放大倍数提 -8 高到上万倍，分辨率达到了 10 m。在电子显微镜下，比细胞小的多的病毒也露出了原 形。人们的视觉本领得到了进一步的延伸。但电子显微镜存在着很多不足，高速电子 容易透入物质深处，低速电子又容易被样品的电磁场偏折，故电子显微镜很少能对 面结构有所揭示， 面物理的迅速发展又急需一种能够观测物质 面结构的显微术. 在人类进入了原子时代的今天，科学技术的发展呼唤着更加精确、分辨率更高的仪器 的发明和面世。 正象绝大多数科学的新发现和新发明都具有其偶然性和必然性一样，当二十世纪 七十年代末德裔物理学家葛•宾尼(Gerd Bining)博士和他的导师海•罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士在 IBM 公司(International Business Machines Corporation)设在瑞士 苏黎士的实验室进行超导实验时，他们并没有把自己的有关超导隧道效应的研究与新 型显微镜的发明联系到一起。但是真空中超导隧道谱的研究已经为他们今后发明扫描 Page 1 The Working Principle And Application of Scanning Tunneling Microscope 隧道显微镜准备了坚实的理论和实验基础。一次偶然的机会，他们读到了物理学家罗 伯特•杨撰写的一篇有关“形貌仪”的文章。这篇文章中有关驱动探针在样品表面扫描 的方法使他们突发奇想：难道不能利用导体的隧道效应来探测物体 面并得到 面的 形貌吗？以后的事实证明，这真是一个绝妙的想法。经过师生两人的不懈努力，1981 年，世界上第一台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜终于诞生了。这种新型显微仪器 的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质 面的排列状态和研究与 面电子行为 有关的物