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扫描穿隧显微术扫描电子显微镜的发展史！***************************************************

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扫描穿隧显微术起源于1980年代初期，利用它能解析出晶体表面的原子结构及电子分佈情形，发明人G. Binnig及H. Rohrer因此于1986年获颁诺贝尔物理奖。此技术有效并稳定地操控金属探针，且利用量子力学的电子穿隧原理，藉探针在距样品表面仅约几个原子大小的范围内来回扫描，让原子的排列具体地呈现，有助于我们从基本层面来瞭解许多物理及化学现象。此外，科学家也空前地展示了搬移原子的能力，同时也能人为地改变电子量子化的状态，使製造原子级的材料和元件，已不再只是梦想。自扫描穿隧显微术问世以来，已衍生出许多相关技术，用途更扩展至许多不同的研究领域及产业，对人类明日的高科技，将造成重大的影响。

黄英硕、张嘉升
一、前言

在科学发展史上，显微技术一直随着人类科技文明而不断地突破，科学研究及工业技术，也随着新的显微技术的发明而推升至更微小的世界。近十年来，工业界的半导体电路技术由次微米（submicron, 1 micron=10-6 m）推向深次微米，新的电子元件也越做越小；实验室正积极进行的超薄膜及超晶格（superlattice）技术，也要求到原子层的精确控制；很多人将奈米（nanometer, 1 nanometer = 10-9 m）大小的结构视为未来的明星材料。由此看来，人类对更高解析度显微术的需求相当迫切。最终的目的是希望能够看到单一的原子，进而能从最基本的原子层级来瞭解材料的各种物理及化学特性，并藉掌控原子来製造新材料及新元件。就表面显微技术(1) 而言，为因应这样的趋势，近年来也有突破性的发展。当一个物件很小时，其表面积与体积的比例增加了，表面的物性已不容忽略；如果到达目前工业界常用的薄膜尺寸，区分表面与内体（bulk）已无太大的意义。为了使产品精巧，许多不同功能的小元件，必须有效地连结起来，发挥特殊的效果。因此，在这些小元件间便产生许多功能性的界面；若有一个界面出了差错，整个产品即不能使用。所以，在我们目前所处的个人电脑时代所代表的「小、巧、快」的文化中，表面显微技术所扮演的角色是十分重要的。它的积极性功能在帮助学者瞭解许多表面（界面）或微小物体的物理、化学、机械、电子等方面的性质；消极性功能则在检测和分析产品失败的原因。

光学显微镜是最早被发展出来增进人类微观视野的工具。其主要结构包括：接物镜、接目镜及光源。传统的光学显微镜所能提供的最佳解析度，大约等于其使用光源的波长（~1mm），这样的解析度已不符目前的需求。为达到~nm的解析度，使用的光源必须是Ｘ光；然而製作能使Ｘ光聚焦的镜片并不容易。因此，电子束便成为取代可见光源的必然的选择；同时，以电或磁场效应设计的透镜也应运而生，造就了电子显微镜的时代。1940年代发展出来的扫描电子显微镜（SEM），将解析度提高至约20埃（A, 1A = 10-10m, 原子直径约为2-3 A），而成为现代科技中一项重要技术。其主要原理与传统光学显微镜类似，只不过以电子取代了光波，玻璃镜片换成了电磁镜片。

本文将介绍1980年代初期在瑞士的IBM实验室所发展出来的一种新技术──扫描穿隧显微术（scanning tunneling microscopy，简称STM）(2-4)，能提供物体表面原子结构的影像，使组成微观世界中的原子或分子个别地呈现出来。STM的操作方式，迥异于光学及电子显微镜，并未使用镜片，而是用一支极细的金属针，沿材料表面的高低起伏扫描，藉扫描时导致的穿隧电流变化来成像。预测此技术将对物理、化学、生物、及材料等领域产生重大的影响。在1986年，发明者即因此获颁诺贝尔物理奖的桂冠。

为了突显该显微术之优异性，表一列举了光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、及扫描穿隧显微镜（STM）之简单功能比较。很明显地，STM在空间解析度上优于另二者，尤其是垂直表面（z）方向，电子显微镜不太能分辨10nm以下的高度差，用STM就不难达到0.01nm的解析度。再者，放入电子显微镜观察之前，非金属样品需事先处理。但有些样品如生物分子，在乾燥及镀导电膜等程序处理过后，往往与原始状态有所不同。另一方面，电子显微镜的高能量电子束对某些样品（尤其是脆弱的生物分子）具有破坏性。STM则不具破坏性，样品也通常不需事先处理，更可在真空、空气、水溶液等各种环境下操作，限制很少；再加上其造价低于电子显微镜，体积小，设计弹性又很高，因此易与其它系统整合；若与光学显微镜结合，可以说是「钜细靡遗」。当然，STM也有些缺点，如不导电样品或表面高度落差过大的材料就不适用。况且，STM扫描速度仍比不上SEM，产品成熟度及稳定性也还不够；这些主要是因STM技术发展时间尚短，商业化产品近数年才出现。

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出自http://www.bjsgyq.com/北京显微镜百科