显微观测技术的新进展及其应用

　　1　引　言

　　人类社会的进步事实上就是人类观察和认识客观世界及其规律的过程,在这一持久不懈的过程中,工具作为人类肢体和感官的延伸,发挥着愈来愈重要的作用。显微观测技术是人类视觉感官功能的延伸与增强,数百年来为人类科技进步做出了巨大贡献。从最早的光学显微镜,到20世纪中叶的电子显微镜,直至上世纪末期以扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM)为代表的一系列先进显微观测技术的出现与应用,显微观测技术本身的发展依赖于光学、电子学及原子物理学等相关学科的发展,同时这一技术的进步也促进了大量新兴学科的出现与蓬勃发展。

　　2　显微观测技术的发展

　　人类对微观世界进行观察的最早尝试可以追溯到16世纪中叶,斯泰卢蒂(Francesco Stelluti)用5倍和10倍的单式显微镜(即通常所称的放大镜)详细地描绘出了蜜峰各部分的图形,由意大利猞猁学院(A-cademy of Lynx Eye)出版,这是有关显微镜研究的第一部著作[1]。约在1590年左右,荷兰的两位眼睛制造商詹森兄弟(HansJanssenandZachriasJanssen)制造了第一台复式显微镜(即通常所称的显微镜)[2],因此,多数人认为他们就是显微镜的真正发明者。此后,光学显微镜经过了几百年的发展,其基本原理并没有变,但是经过不断改进与发展,精度越来越高,而且为了满足特定用途,出现了成套系的特种显微镜,这就是第一代显微观测技术。

　　随着科学的进步,光学显微镜在放大倍数等方面越来越不能满足人们的需求,在此背景之下,一种采用全新放大机理的新型显微观测技术产生了,那就是电子显微镜(Electron Microscope,简称EM)。德国的鲁斯卡(Ruska)被赞誉为电子显镜镜之父,1931年,他和克洛尔(Knoll)研制了第一台电子显微镜,放大倍数为16万倍,取得了划时代的进步,他也因此获得了1986年度的诺贝尔物理学奖[3]。1937年,鲁斯卡和波里斯(Borries)在西门子—哈斯克公司创建了第一个电子光学实验室,并于1939年研制成功第一台商品化电子显微镜。此后,电子显微观测技术不断发展,并且出现了透射电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope,简称TEM)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)等多种类型的电子显微镜,这就是第二代显微观测技术。

　　本文主要介绍的是以扫描隧道显微镜为代表的第三代显微观测技术的发展与应用。

　　3　扫描探针系列显微观测技术

　　3.1　扫描隧道显微镜

　　1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜(STM)[4],这是新兴的扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,简称SPM)家族中的第一个成员。讲到STM有必要介绍一下量子理论中的隧道效应,如果将原子线度的两个电极互相靠近,当两者之间的距离非常接近时(通常小于1nm),在外加电场的作用下,电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极,这种现象就叫隧道效应[5]。STM正是基于量子隧道效应,当一个原子尺度的金属探针针尖非常接近样品时,如果有外电场存在,就有隧道电流It产生,It强烈地依赖于针尖与样品之间的距离,例如约0.1nm的微小距离变化就能使其改变一个数量级,因而通过探测It就能得到具有原子尺度分辨力的样品表面轮廓三维图像。STM能获得表面电子结构信息,可在大气、真空、低温及液体覆盖下使用,因此被广泛应用于表面科学、材料科学、生命科学及微电子科学等领域,同时也极大地推动了纳米科技的发展,被公认为80年代世界十大科技成就之一[6]。然而由于STM在操作中需要施加偏电压,因此只能用于观测导体和半导体材料样品。