扫描隧道显微镜的发展历史|现状

　　扫描隧道显微镜的诞生是电子显微技术的一个重要里程碑，标志着人类在微观领域的认识方面又跨越了一个新的起点，对化学、物理、生命科学和材料科学等学科的许多领域都产生了重大的影响。

扫描隧道显微镜的发展历史

　　17世纪，世界上diyi台光学显微镜发明成功，并且利用这台显微镜，人类首次观察到了细胞的结构，从而开始了人类使用仪器研究微观世界的新时代。但是，由于受光波长的限制，光学显微镜的分辨率只能达到10^-6m~10^-7m。20世纪初，利用电子透镜使电子束聚焦的原理，成功的发明了电子显微镜，它的分辨率达到了10^-8m。有了电子显微镜，比细胞小得多的病毒也露出了原形，增强了人们观察微观世界的能力。

　　1982年，格尔德·宾宁(Binning)和海因里希·罗雷(Rohrer)在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明了，世界上diyi台具有原子分辨率的扫描隧道显微镜，利用针尖和表面间的隧道电流随间距变化的性质来探测表面的结构，获得了实空间的原子级分辨图像。这一发明使显微科学达到了一个新的境界，并对物理、化学、生物、材料等领域的研究产生了巨大的推动作用。为此格尔德·宾宁和海因里希·罗雷于1986年被授予诺贝尔物理奖。

扫描隧道显微镜的发展现状

　　1982年，国际上diyi台扫描隧道显微镜诞生，而在1988年，白春礼成功研制了国内diyi台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科学成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”。1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作推出了我国diyi台低温扫描隧道显微镜，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义。

　　由于扫描隧道显微镜具有分辨率高、需要样品量小并可在溶液中成像等特点，所以在生物领域中倍受青睐。在研究生物分子的激活，蛋白质与DNA的复合以及病毒和细胞的生物变化过程等方面，扫描隧道显微镜都有许多有价值性的工作。如ZG科学院上海原子核研究所与中科院上海细胞研究所合作，1989年4月用扫描隧道显微镜拍摄到天然鱼精子DNA的图像，同年8月又得到左手螺旋的Z-DNA图像。1989年12月，他们与苏联科学院分子生物学研究所合作，在世界上首次得到平行双链的DNA图像，证实一种新型DNA构型的存在。1990年，上海原子核研究所与上海生化所合作，首次获得DNA复制过程的扫描隧道显微镜图像，中科院化学所则首次获得三链DNA图像。

　　扫描隧道显微镜在表面吸附和实用材料的研究中占有特殊地位。扫描隧道显微镜可以清晰观察到原子簇化合物和有机金属化合物在不同晶体的吸附和扩散;在实用材料的表面结构研究中，包括高温超导材料的表面原子排列和能谱的研究，金属卤化物的高分辨率表面结构的研究，晶体生长动力学的研究等等，扫描隧道显微镜都具有不可代替的作用。

　　尤其值得一提的是，利用扫描隧道显微镜实现了室温下单电子隧穿效应。所谓电子隧穿就是让电子“排好队”，一个接着一个地通过介观尺度的结构，有人形象比喻就像门诊大夫招喊就诊的病人一样。1994年，荷兰菲利普实验室的范·荷顿小组利用扫描隧道显微镜技术构成扫描隧道显微镜双隧道结构，在室温下观察到单电子隧穿现象。这一发现开辟了设计和制作各类单电子器件的广阔前景:单电子晶体管、量子点旋转门、单电子数字逻辑电路、存贮器等等;另外，用此效应制成的超灵敏电流计，比现有仪器精度可提高1000倍。

　　纵观扫描隧道显微镜领域，目前的研究工作早己由简单的形貌观测走向系统而深入的测量研究;由单纯的测量走向材料在微观尺度的加工。例如对基准平面操纵原子的工作已达到很高水准，能将单原子从表面拔出或安装在表面位置，或者制作某种特殊微观结构等等。尽管扫描隧道显微镜问世的时间很短，但经过各国科学家的努力，扫描隧道显微镜已得到了迅速的发展，在很多方面显示出其独特的优点，被应用于如微电子、生物等诸多领域中并推动了这些领域的发展。

　　目前，国际上很多国家对纳米科技给予很大的重视，扫描隧道显微镜理论和技术也在日臻完善中，扫描隧道显微镜及其相关技术必将在人类认识和改造自然尤其是微观世界的进程中发挥越来越大的作用。扫描隧道显微镜的发展仅有数十年的历史，它使人们对微观世界的探索和研究大大前进了一步，并且作为桥梁使宏观世界和微观世界的距离大大缩短。纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个ZD，会是一次技术革命，扫描隧道显微镜将引起21世纪又一次产业革命。