什么是掃描隧穿顯微鏡

金仲輝

讀者小川問：“掃描隧穿顯微鏡是一種什么樣的顯微鏡？它和普通顯微鏡有什么不同？”在上期文章中我們介紹了量子力學(xué)，這里所提到的掃描隧穿顯微鏡就是量子力學(xué)的典型應(yīng)用.它的工作原理是量子力學(xué)中的隧道效應(yīng).

什么是隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)又被稱為勢(shì)壘貫穿效應(yīng)，它是由微觀粒子波動(dòng)性所決定的量子效應(yīng).根據(jù)我們?cè)谡n堂上所學(xué)過的機(jī)械能轉(zhuǎn)化知識(shí)，如圖1所示的小球.如果它在A處的動(dòng)能小于它在B處的勢(shì)能，在沒有外力的作用下，小球是無法到達(dá)并跨越B點(diǎn)的，但是，按照量子力學(xué)的結(jié)論，如果小球換成了微觀粒子，在向上運(yùn)動(dòng)的過程中，它是有可能到達(dá)B點(diǎn)甚至跨越B點(diǎn)，當(dāng)然微觀粒子到達(dá)并跨越B點(diǎn)的概率要小于無法到達(dá)B點(diǎn)的概率.在物理學(xué)中，勢(shì)能比附近都高的空間區(qū)域被稱為勢(shì)壘.在圖1中B點(diǎn)附近所屬的區(qū)域就是勢(shì)壘，在微觀領(lǐng)域中，即使粒子的能量小于勢(shì)壘，也有可能穿越它，這就是勢(shì)壘貫穿效應(yīng).即隧道效應(yīng).勢(shì)壘的勢(shì)能越大、區(qū)域越厚，則微觀粒子穿越的概率越小（如圖2）.隧道效應(yīng)是微觀世界中的一種效應(yīng)，在宏觀世界中小球是永遠(yuǎn)無法到達(dá)并跨越B點(diǎn)的.隧道效應(yīng)是理解許多自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)，例如某些放射性元素內(nèi)部粒子所擁有的能量小于離開原子核所需要的能量.但是由于隧道效應(yīng)，有一部分粒子卻依然可以離開原子核，使元素產(chǎn)生放射性.

掃描隧穿顯微鏡

普通的顯微鏡是利用光學(xué)原理來觀察宏觀物體的結(jié)構(gòu)，而掃描隧穿顯微鏡是利用隧道效應(yīng)去觀察原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)，其工作原理如圖3所示：將需要觀察的固體樣本不斷靠近針尖，當(dāng)兩者距離達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，由于隧道效應(yīng)，固體樣本上的電子就會(huì)向針尖移動(dòng).使整個(gè)電路中的電流發(fā)生變化，通過現(xiàn)代電子技術(shù)，測(cè)出電流的變化就可以知道被測(cè)固體樣本的表面結(jié)構(gòu).

掃描隧穿顯微鏡具有極高的靈敏度，它能夠分辨出只有1%原子大小的細(xì)節(jié)，使人們能夠觀察原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)，此外，利用掃描隧穿顯微鏡的探針還可以按照人們的意愿移動(dòng)單個(gè)原子.圖4所示就是科學(xué)家利用探針撥動(dòng)單個(gè)碳原子所繪制出的中國(guó)版圖.

掃描隧穿顯微鏡的出現(xiàn)不僅解釋了固體物理中的一些難題，它在材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究也有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景.掃描隧穿顯微鏡的發(fā)明者賓寧和羅雷爾也因此獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).