扫描隧道显微镜是如何探秘微观世界，并在原子尺度下实施观测的？

文丨煜捷史馆

编辑丨煜捷史馆

在现代科技飞速发展的时代，微观世界的研究日益受到人们的关注。为了窥探原子、分子尺度下的奥秘，科学家们发明了许多先进的工具。

其中，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）作为一种重要的纳米尺度探测工具，使得我们能够观察和操控物质的最基本结构

接下来，煜捷将为大家介绍STM的工作原理、历史背景、应用领域以及对科学研究带来的深远影响。

1981年，一个普通的实验室在瑞士苏黎世的一角，却发生了一场科学历史上的革命性突破。那年，两位杰出的物理学家，Heinrich Rohrer和Gerd Binnig，正在IBM的研究实验室里默默地工作着。

Heinrich Rohrer是个身材高大的中年男子，脸上常常挂着和蔼的微笑，他对于探索微观世界的渴望源自童年，当时他常常在田野里捉迷藏，而迷藏的魅力正是因为小小的树叶或是草丛里可能隐藏着无穷的秘密。

Gerd Binnig则是个略显瘦弱但精力充沛的年轻人，他的眼睛里闪烁着对科学的无限热爱，在他看来，探索未知就像是在黑暗中点燃一盏灯，唯有这样，才能让人类前进。

一天，他们恰巧在实验室里碰面，Gerd Binnig正忙着调试实验装置，而Heinrich Rohrer则正在思考如何更好地观察物质的微观结构，两人打了个招呼，随后开始了一场关于原子和分子的深入探讨。

"你知道吗，"Gerd Binnig说道，"我们一直试图在原子尺度下观察物质，但传统的显微镜根本做不到。"

Heinrich Rohrer点了点头，表示同意。"的确，"他说道，"传统的光学显微镜受到光波的限制，无法观察到原子级别的细节。"

两人陷入了深思，然后Heinrich Rohrer眼中闪过一丝灵光，"我们是否能利用隧道效应来实现呢？"他试探性地提问。

"隧道效应？"Gerd Binnig皱起了眉头，他听说过这个概念，但并没有深入了解过。

"是的，"Heinrich Rohrer解释道，"隧道效应是一种奇特的现象，当微小的探针尖端非常靠近导体表面时，电子可以穿越空气或真空，与导体表面发生隧道效应，产生微小的电流。"

Gerd Binnig眼睛一亮，他似乎明白了Heinrich Rohrer的意思。"你是说我们可以利用隧道效应来观察原子尺度下的物质结构？"

"是的，"Heinrich Rohrer肯定地点头，"我们可以把一个极细的金属探针尖端放在样品表面附近，利用隧道效应来探测样品表面的拓扑结构。"

Gerd Binnig兴奋地跳了起来，"这太棒了！我们可以在原子尺度下观察物质，甚至可以操控它们！"

于是，他们决定立刻展开实验，经过数天的不懈努力，他们终于成功地制作出了第一台扫描隧道显微镜。

这台显微镜的尖端探针只有几个原子大小，可以轻易地靠近样品表面，并利用隧道效应来探测样品表面的微观结构。

在第一次试验中，他们用STM观察了一块铜表面。当样品中的原子逐个显现在显微镜屏幕上时，两人无比激动。

这种震撼来自对微观世界全新认识的开启，原子和分子不再是虚无缥缈的概念，而是实实在在地展现在他们的眼前。

在他们进行的一次实验中，他们用一根微小的金属探针尖端，靠近一个导体表面。随着探针尖端越来越接近，他们惊讶地发现，隧道效应导致了微小的电流。

这个现象非常微妙而神奇，让他们对其深感好奇。他们开始仔细研究这种现象，并试图找出其中的规律和原因。

经过一系列实验的不断调整和优化，他们终于确定了隧道电流的强度与探针尖端与导体表面的距离高度相关。探针尖端越靠近导体表面，隧道电流越大。

这个发现为他们打开了一扇通向微观世界的大门。他们意识到，通过测量隧道电流的强度，就可以获得导体表面的拓扑结构信息，甚至可以在原子尺度下观察物质的微观结构。

这个重大的发现激发了他们的灵感和激情，他们开始着手设计一种全新的仪器，能够利用隧道效应来实现在原子尺度下的观测和操作，经过长时间的探索和努力，终于在1981年，他们成功地制造出了第一台扫描隧道显微镜（STM）。

STM的原理很简单，通过将一个极细的金属探针尖端非常靠近样品表面，利用隧道效应来探测样品表面的微观结构。

通过测量隧道电流的强度，并通过反馈控制系统来保持探针尖端与样品表面的恒定距离，从而绘制出样品表面的原子尺度拓扑结构。

这项发明让人们第一次有机会在原子尺度下观察和操作物质，开启了纳米科学和纳米技术的全新时代。

随着STM技术的发展，科学家们发现，不仅可以观察和操控导体表面的原子结构，还可以应用于非导体材料和生物分子等领域，这使得STM成为了一个在科学研究和纳米技术应用中不可或缺的重要工具。

因此，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer的发现，让隧道效应从一个有趣的理论现象，演变成了一种实用的技术手段。

他们的创造性工作为STM技术的发展奠定了基础，并为后来的科学研究带来了深远的影响，至今，STM仍然是研究微观世界的重要工具，也为纳米科学和纳米技术的发展提供了无限的可能性。

STM的核心原理是利用隧道效应来探测物体表面的拓扑结构，当一根尖端极细的金属探针靠近待测表面时，

探针尖端的电子与表面的电子发生隧道效应，产生微小的电流，这个电流的强度与探针尖端与样品表面的距离高度相关，距离越近，电流越大。

为了保持探针尖端与样品表面的恒定距离，STM采用了反馈控制系统，探针尖端在扫描过程中保持恒定的隧道电流。

这意味着探针尖端与样品表面的距离在扫描过程中保持不变，通过记录反馈控制所需的探针运动，可以绘制出样品表面的原子尺度拓扑结构。

在STM的发明之后，它很快成为了表面科学研究领域中的一把锐利武器，通过STM技术，科学家们可以以前所未有的分辨率观察材料表面的原子和分子结构，进一步了解表面的特性和行为，这为表面科学研究带来了一场革命。

首先，STM在表面吸附研究中发挥着重要作用。吸附是指物质与表面相互作用，并在表面附近形成一层薄膜。

通过STM，科学家们能够观察到吸附物在表面上的排列和分布情况，甚至可以直接看到吸附原子和分子之间的相互作用。

这有助于深入理解吸附过程中的物理和化学机制，从而为吸附材料的设计和优化提供了重要的信息。

薄膜在现代科技和工业中扮演着重要角色，它们广泛应用于光电子器件、半导体器件、涂层技术以及纳米材料等领域。

然而，薄膜的制备过程复杂多变，其结构和性能往往受到许多因素的影响。在这方面，STM的应用为薄膜生长研究带来了新的革命性突破。

在过去，研究薄膜生长往往需要准备大量的样品，并通过不同的实验手段来推测其生长过程和结构，这种方式相对缓慢且耗费资源。然而，有了STM，这个情况发生了翻天覆地的变化。

利用STM技术，科学家们可以实时地观察薄膜生长的过程，而无需对样品进行干预，他们可以将样品放在STM仪器下，观察薄膜原子和分子的逐渐堆积，形成完整的薄膜结构。

这种实时观察的能力使得研究人员能够深入了解薄膜生长的动态过程，并发现其中的规律和机制。

通过STM技术，科学家们可以掌握薄膜形貌和结构的变化情况，他们可以观察到薄膜表面的原子排列、晶格结构以及缺陷等信息。

这些数据对于理解薄膜生长的过程和机制至关重要。在薄膜制备过程中，科学家们可以根据STM的实时反馈，进行相应的调控和优化，以获得具有特定功能和性能的薄膜材料。

除此之外，STM还可以在原子尺度下观察薄膜表面的纳米结构，这对于研究纳米薄膜材料具有重要意义，纳米薄膜具有特殊的性质和应用潜力，在纳米器件、纳米传感器等领域有着广泛的应用前景。

通过STM技术，科学家们可以深入了解纳米薄膜的形貌和结构，为纳米材料的设计和制备提供重要的指导。

另外，STM还在研究材料表面性质和表面化学反应方面发挥着关键作用。材料的性质往往与其表面的结构和组成密切相关。

通过STM技术，科学家们能够直接观察到材料表面的原子和分子结构，了解表面性质的来源和调控方式。

此外，STM还可以用于研究表面化学反应的过程和机制，从而揭示反应的动力学和热力学行为，为催化剂和反应器的设计提供重要参考。

STM在表面科学研究领域的应用极大地推动了该领域的发展，它为科学家们打开了观察原子尺度下材料表面的大门，为我们深入了解材料性质和表面化学过程提供了独特的视角。

通过STM技术，我们可以探索材料世界中微观结构的奥秘，从而为新材料的设计、催化剂的开发以及表面化学反应的控制等领域带来新的突破和进展。

这项技术的广泛应用为我们打开了探索表面科学的新视野，为未来的科学研究和材料技术发展带来了无限的可能性。

STM作为一种重要的纳米尺度探测工具，虽然在科学研究中发挥着重要作用，但也存在一些局限性，例如，STM通常需要在真空或超高真空条件下操作，限制了一些样品的应用范围。

此外，STM在操作过程中对样品的要求较高，需要具备一定导电性，这也限制了其在某些非导电样品上的应用。

然而，随着科技的不断进步，人们对STM的改进和优化也在不断进行，新型STM的出现不仅提高了分辨率和稳定性，还使得在更广泛的样品类型上实现了原子级别的观测和操作。

未来，我们有理由相信STM将继续在纳米科学、材料科学、生物医学等领域发挥着不可替代的作用，并为人类揭开微观世界的奥秘贡献更多的智慧。

扫描隧道显微镜作为一种重要的纳米尺度探测工具，在揭示微观世界奥秘和推动科学发展方面发挥着不可替代的作用。

随着科技的不断进步，STM必将在更多领域发挥重要作用，助力人类在纳米世界中不断前行，通过对微观世界的深入探索，我们有望获得更多关于自然和科学的真理，为人类社会带来更多的福祉。