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扫描隧道显微镜简介

一.前言

1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼(GerdBining)博士和

海.罗雷尔(HeinrichRohrer)博士及其实验室的其他工作人员，研制成功了世

界第一台新型表面分析仪器—扫描隧道显微镜，英语称为

ScanningTunnelingMicroscope，简称为STM。当时海.罗雷尔是IBM公司苏

黎世研究实验室的科学家，葛.宾尼是德国法兰克福市歌德大学的研究生，

海.罗雷尔介绍了要在苏黎世开展的表面物理研究计划以后，葛.宾尼提出可

用隧道效应来研究表面现象，当时是1978年，年底，海.罗雷尔把葛.宾尼请

到苏黎世，经过3年的努力终于制造出世界上第一台扫描隧道显微镜，这种扫

描隧道显微镜使人们“看到”表面一个个原子，甚至还能分辨出约百分之一个

原子的面积。因为扫描隧道显微镜有一系列的重要应用，并由此开拓了许多新

的研究领域，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成果之一。为此。扫描

隧道显微镜的发明者在1986年获得诺贝尔物理学奖（与电子显微镜的发明者分

享）。

二.扫描隧道显微镜的发展过程

我们知道，显微镜有很高的分辨本领和放大倍数，是研究物质宏观结构的

有力工具。

最早的显微镜出现在16世纪末，应用于科学研究则在17世纪初期，显微

镜的发明大大扩充了人类的视野，把人类的视野从宏观引入到微观，特别在医

学界上给了极大的帮助，直接导致了19世纪细胞学、微生物学等学科的建立。

显微镜的发展大致可分为三代：第一代——光学显微镜；第二代——电子

显微镜（电镜）；第三代——扫描隧道显微镜。

第一代显微镜——光学显微镜：17世纪末，荷兰人列文虎克

(Leeuwenhoek,Antonivan1632-1723)研制成功了第一台光学显微镜，把

人们带进了一个五彩缤纷的微观世界。但由于光波的性质，光学显微镜的分辨

能力非常有限，光的衍射使尺寸小于光波长一半的物体的细节变得模糊不清。

可见光的最短波长为400nm，光学显微镜最小可分辨的两点间距不会小于200nm，

这就是光学显微镜的观察极限。那么怎样缩短显微镜的这种最小可辨间距呢？

由此发明了第二代显微镜——电子显微镜。

第二代显微镜——电子显微镜：1924年法国物理学德布罗意

（DeBroglie,Louisvictor1892–1987）指出，微观粒子除了具有粒子性

外，还具有波动性，并且能量越大，波长越短，由此科学家便把目光投向了电

子。如果能用高能电子束代替光束，而电子束的波长远小于光束的波长，那么

不就可以大大提高显微镜的分辨力了吗？在20世纪20年代末，鲁斯卡

（Ruska,Ernst）经过多次实验探索，利用电磁场控制电子束的运动方向，将

通过样品，带有样品微观结构信息的电子束再打到荧光屏或照相底片上，形成

分辨率极高的图像。终于在1933年研制成功世界上第一台电子显微镜，开创了

人类研究微观世界的新纪元。鲁斯卡因此分享了1986年的诺贝尔物理学奖。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表面结构有所揭示，表面物理的迅

速发展又急需一种能够观测物质表面结构的显微术，因此80年代诞生了第三代

显微镜即扫描隧道显微镜。

第三代显微镜——扫描隧道显微镜：扫描隧道显微镜的出现，使人类能够

实时观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学

性质，扫描隧道显微镜因其可直接观察物体表面原子结构而不会对样品表面造

成任何损伤，而被广泛应用于表面科学、材料科学、生命科学等领域，并成为

钠米加工的关键技术。扫描隧道显微镜不仅可以在各种样品表面上进行直接刻

写、光刻以及诱导淀积和刻蚀等，它还可以把吸附在表面上的吸附质如金属小

颗粒、原子团及单个原子等从表面某处移向另一处，即对这些小颗粒进行操作。

STM在这些方面的应用为用不同材料的微小粒子来构造器件的研究提供了有用

的工具，它还可用来研究粒子之间或粒子与衬底间的相互作用，甚至有可能用

一个个原子构造分子或者把分子分解成一个个原子。

三.扫描隧道显微镜的基本工作原理

1.有关的几个基本概念

⑴．隧道现象—以一块金属为例。自由电子可以在金属内部自由移动，可