本文標題:百年回顧，掃描式隧道顯微鏡

　　自從第一臺顯微鏡被發明以來，世界各地的研究人員和科學家不斷尋找新的方式，力求進一步加深對于微觀世界的了解。1981年，IBM 公司的兩位研究人員Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 發明了掃描式隧道顯微鏡 (STM)，開辟了微觀科學的新天地。

　　Binnig 和 Rohrer 前所未有的發明使科學家能夠觀察由分子和原子組成的世界。STM 在 1986年獲得了諾貝爾物理學獎，并且被廣泛認為是打開納米技術和在多個領域中廣泛探索的大門，包括電化學、半導體科學和分子生物學。

　　STM 是由兩位希望進一步拓寬科研邊界的科學家合作開發的。通過 20世紀 70年代末在IBM蘇黎世實驗室共同合作，Binnig 和 Rohrer 憑借在超導性研究領域的背景，都熱衷于對原子表面的研究— 由于表面的獨特特征，這是一個極為復雜而且讓科學家感到困惑的主題。但是，他們的探索受到了現有工具狀態的限制。沒有一種技術允許科學家直接探索表面的電子結構和缺陷。

　　普通的顯微鏡采用光學鏡頭，可以觀察比光波長還要小的物體。電子顯微鏡可以觀察更小的物體，而清晰度高于光學顯微鏡，但仍無法清晰地觀察單個原子。

　　于是，Binnig 和Rohrer 決定設計出自己的儀器–能夠在納米級觀察并處理原子。為了做到這一點，他們開始試驗隧道方法，這是一種量子現象，即原子從固體表面脫離，形成一種籠罩在表面的云;在另一個表面接近時，其原子云疊加到上面，并發生原子交換。

　　通過調整極短距離內的樣本表面上的尖銳金屬導線，Binnig 和 Rohrer 發現，導線和表面之間的電流量可以測量出來。電流的變化可提供關于內部結構和表面的高度地形信息。通過這些信息，我們可以建立樣本表面的三維原子級地圖。

　　1979年 1月，Binnig 和 Rohrer 提交了關于STM的第一個專利申請。很快，在同事Christoph Gerber 的幫助下，他們開始設計制造顯微鏡。

　　在設計 STM 的前幾個月內，兩位發明人必須對原始設計進行一系列調整，以準確地產生如此微小量級的測量結果。這些更改減少了變化和噪聲；更準確地控制掃描導線的位置和移動;并且提高了探針導線本身的銳度。

　　他們的第一次試驗是采用金晶體的表面結構。最終的圖像顯示了各行間隔精確的原子和由一個原子高度分隔開的大平臺。據Binnig 在諾貝爾獎頒獎儀式上關于最初試驗的講座中談到，“我目不轉睛地盯著圖像。我進入了一個全新的世界。”

　　經過顯微鏡的多次調整，其機械設計的精度大大提高，而且圖像也更加清晰。很快，全世界的科學獎都開始認識到了Binnig 和Rohrer 的發明的重要意義，他們有史以來第一次能夠了解納米級世界的每個原子和分子。

　　STM也可用于推拉每個原子，因此，這也標志著人類第一次能夠處理如此之小的物體。

　　在第一臺STM 制造出來五年后向 Binnig 和Rohrer授予諾貝爾物理學獎時，諾貝爾獎委員會表示，這項發明開辟了“物質結構研究……的新天地”。Binnig 和Rohrer具有突破意義的發明是納米技術研究的起點— IBM 在這個領域一直作為先驅者。由于其高分辨率的成像能力和廣泛的適用性，STM 主要應用于物理、化學、工程設計和材料科學領域。

　　原子力顯微鏡 (AFM) 是STM 的后代產品，由Binnig 在1986年開發出來，它通過對非導電材料進行成像而開辟了顯微鏡的全新應用領域。除了AFM 之外，Binnig 和 Rohrer 的掃描式隧道顯微鏡還導致相關儀器和技術的出現，使我們觀察、探索和處理以前無法觀察到的表明和材料的能力發生了革命性變化。

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