扫描探针显微镜的应用

　　扫描探针显微镜是基于探针在被测试样表面上进行纵、横向扫描引起相关检测量变化的原理研制的设备。已渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种科学领域。

扫描探针显微镜的应用领域

　　扫描探针显微镜用于单原子操纵：

　　1959年美国物理学会年会上，诺贝尔物理奖获得者Richard说:“如果我们能够按自己的意愿排列原子，将会出现何物?这些物质的性质如何?虽然这个问题我们现在不能回答，但我决不怀疑我们能在如此小的尺寸上操纵原子。”目前，Richard的设想可以实现了。

　　使用扫描隧道显微镜进行单原子操纵的较普遍的方法，是在针尖和试样面之间施加偏置电压。由于针尖同试样面之间的距离很小，因此，在偏置电压作用下，针尖和试样面之间将产生强大电场(10⁹～10¹⁰V/m)。试样面上的吸附电子在强电场作用下，经过蒸发被移动或提取，在试样面上留下空穴，从而实现单原子的移动和操纵。同样，吸附在针尖上的原子也有可能在强电场作用下，经过蒸发而沉积到试样面上，完成单原子的放置。

　　利用原子力显微镜进行单原子操纵还处于研究阶段。通过控制针尖同试样面之间的距离，利用针尖和试样面原子之间不同的原子间力，实现原子操纵。目前，利用扫描探针显微镜实现原子操纵是扫描探针显微镜研究的又一新热点，并因此带动相关学科产生新一轮革命。“正是由于扫描探针显微镜的精确性和准确性，显然对传统微电子工艺形成了冲击和震动”。

　　扫描探针显微镜用于生物技术和生命科学：

　　扫描探针显微镜在生物技术和生命科学中，也具有广阔的应用前景。

　　目前扫描探针显微镜在生物技术中的主要应用有：基因分析、染色体和细胞膜分析，蛋白质和核酸聚合分析，新物种产生等领域。

　　扫描探针显微镜用于信息技术：

　　扫描探针显微镜是IBM公司的科学家发明的，它在信息技术的应用，一直是人们关注的，随着科技的进步，对芯片的计算功能和存储功能的要求越来越高，如何提高芯片的性能是信息技术追求的目标，扫描探针显微镜的产生可谓是信息技术发展的一项催化剂，必然会带动信息产业更大的发展。以纳米电子加工为例，扫描探针显微镜技术可以加工更小尺寸的器件，器件的工作频率也更快，能耗也更低。如果在1cm²Si表面用原子存储信息，可存储10¹⁵bit的信息，是目前所用的1.44Mb的7亿倍。

　　目前扫描探针显微镜技术主要应用于微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、表面技术、信息技术和纳米技术等各种科学领域。随着纳米器件的发展和扫描隧道显微镜理论的不断完善，人类将可以用特定的原子制造特殊功能的产品。

扫描探针显微镜的发展方向

　　①探针针尖的工艺研究。探针针尖的工艺对扫描探针显微镜分辨率至关重要，如何提高针尖尖度、延长探针使用寿命将成为扫描探针显微镜长期研究的问题。

　　②对于扫描隧道显微镜，偏置电压的控制，也是研究的关键。电压过高，电场强度增大，有利于原子迁移;然而场强过大，在针尖和试样面之间会产生复杂化学反应，导致原子操纵过程变得复杂。

　　③接触面处的接触距离，是扫描探针显微镜中Z关键的因素。合理的接触距离，既有利于延长针尖的使用寿命，又有利于提高扫描探针显微镜的分辨率。而接触距离在原子操纵中，将起着决定性作用。

　　电场的强弱和原子间力的大小同接触距离有密切的关系，尤其是原子力显微镜，研究发现，当接触距离达到某个值时，接触面处的原子会发生“突跳”，“突跳”对原子操纵影响很大。

　　我国已将扫描探针显微镜列为急需突破的纳米科技发展的共性关键技术。相信在不久的将来，扫描探针显微镜将在更广阔的领域得到发展。