扫描隧道显微镜

原子的存在及其结构是历代不少科学家们倾注心血终生探索的核心问题之一。直接观察原子，曾是人们的梦想。
　　
　　17世纪末，人们研制了光学显微镜，用它观察到生物细胞。若想观察到单个原子，需要把显微镜的精度再提高千倍。20世纪30年代，E.Ruska教授研制出电子显微镜，其精度达到原子级，但是所用的高能电子束易使样品受到损害。1981年，IBM公司瑞士苏黎世实验室的G.Binning和H.Rohrer两位博士共同演示成功了世界第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，简称STM）。它的问世，使人们梦想成真。人们能够适时地观察到原子在物质表面的排列状态，得知与表面电子行为有关的物理、化学性质，它对表面科学、材料科学、生命科学和信息科学的研究有着重大的意义并具有广阔的应用前景。为此，他们与电子显微镜的创制者共同荣获1986年Nobel物理奖。
　　
　　扫描隧道显微镜的基本原理是基于量子的隧道效应，将一个锐利的钨针尖和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离接近到几个小的原子直径范围内，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的绝缘层流向另一电极，这种现象称为隧道效应。隧道电流强度对于两电极之间距离的反映非常敏感。如果距离减小100pm，电流强度将增加1000倍。因此用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面扫描，利用电子反馈线路控制隧道电流恒定（说明两电极之间的距离不变），则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映了样品表面的起伏，当探针沿着样品表面水平方向扫描时，数据由计算机储存，样品原子大小及其排列的三维图像在荧光屏上或记录纸上显示出来。使用STM技术，IBM公司Watson研究中心的科学家观察到硅表面的原子排列。科学家们还观察到石墨。砷化镓的表面原子排列并鉴别了砷和镓原子，研究了配合物在晶体表面的吸附和扩散。总之，STM为表面科学，催化机理要回答而又难以回答的问题的研究提供了工具，因此科学家们公认STM是表面科学和表面现象分析技术的一次革命。
　　
　　STM方法用于生物样品的研究，可以在真空、大气和水溶液中对DNA进行观察，得到环状结构，有助于探索遗传奥秘。