顯微鏡技術(shù)的開發(fā)創(chuàng)新，加速了納米時(shí)代的進(jìn)程

劉玄慶    張康定    編寫

摘要：  本文簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)顯微鏡多年來(lái)的發(fā)展和近代*掃描探針顯微技術(shù)（SPM），包括掃描隧道顯微鏡（STM）及原子力顯微鏡（AFM）的技術(shù)理論及重點(diǎn)應(yīng)用的介紹。

關(guān)鍵詞：顯微分辨率；庫(kù)侖堵塞效應(yīng)；量子隧道效應(yīng)；針尖技術(shù)；納米技術(shù)

Abstract:In this article we describe the development at many years age about the microcope in world and modern times advanced technic theory and emphasis application of Scanning Probe Microscopy(SPM),which include the Scanning tunneling microscope(STM)and Atomic Force Microscope(AFM) and so on.

一．            在“納米世紀(jì)"一書中將人類文明進(jìn)程劃分為：

（一）模糊時(shí)代：指工業(yè)革命之前的時(shí)代

（二）毫米時(shí)代：指工業(yè)革命到20世紀(jì)初

（三）人類跨入微米時(shí)代：指20世紀(jì)的兩次科學(xué)技術(shù)革命

*次：20世紀(jì)40年代開始的原子——電子技術(shù)革命；

第二次：20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)生的信息革命。

（四）迎接納米時(shí)代：指21世紀(jì)將會(huì)以納米技術(shù)為代表的新興科學(xué)技術(shù)給人類帶來(lái)第三次工業(yè)革命。

納米技術(shù)正不斷滲透到現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，如物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)等等領(lǐng)域。必將迅速地改變物質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)方式，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)寬它們的應(yīng)用范圍，從而導(dǎo)致人類社會(huì)發(fā)展巨大變化。

應(yīng)指出的是：在納米時(shí)代到來(lái)和納米時(shí)代中，納米電子學(xué)技術(shù)都將會(huì)起到zui關(guān)鍵的作用。例如20世紀(jì)80年代的1982年，IBM公司的賓尼（Gerd Binning）和羅雷爾（Heinrich Rohrer）成功研制出世界上*臺(tái)新型的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope,簡(jiǎn)稱STM），使人類*次能夠直觀到物質(zhì)表面的單個(gè)原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究相關(guān)的物理、化學(xué)、生物等的性能，作用極大，應(yīng)用非常廣闊，涉及各行各業(yè)。為人類進(jìn)入納米世紀(jì)，加快進(jìn)程，做出了巨大的貢獻(xiàn)。STM的發(fā)明被科學(xué)界*為20世紀(jì)80年代世界科技成就之一，并由于這一杰出貢獻(xiàn)賓尼（ Binning）和羅雷爾（Rohrer）獲得了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

二．            從光學(xué)顯微鏡到電子顯微鏡的發(fā)展

觀察微小物體的歷史，是從放大鏡開始的，然后進(jìn)入顯微鏡時(shí)代。當(dāng)光學(xué)顯微鏡達(dá)到了分辨本領(lǐng)的極*，為了達(dá)到滿足人們觀察微觀世界的渴望時(shí)，促成了電子顯微鏡的發(fā)明。

（一）。光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡的構(gòu)思是：直接觀察物體放大后的像，以代替用放大鏡觀察物體本身。因此需要有兩塊透鏡組合起來(lái)。

*塊透鏡，產(chǎn)生物體的放大像，稱為物像；第二塊透鏡，采用與*塊同類型的放大鏡，去看*塊透鏡放大后的像，稱為目鏡。

光學(xué)顯微鏡的進(jìn)步，正在于這二塊透鏡的組合。由于映入人眼的物體像是這二塊透鏡放大率之積，因而大幅度提高了放大能力。但如果想提高放大率，就需要增加透鏡的數(shù)目，那麼，將會(huì)遇到放大后像的畸變、彎曲、…….等稱為像差問題。*消除像差辦不到，但依靠近代的技術(shù)水平有可能使像差保持到很小的值。例如，現(xiàn)代較好的光學(xué)顯微鏡可達(dá)到1000—1500倍。但這個(gè)放大率已是光學(xué)顯微鏡放大本領(lǐng)的極限。這個(gè)結(jié)論是埃貝、海侖霍爾茨等人在十九世紀(jì)中葉通過研究而獲得的。埃貝等從理論證明：光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)界限的因素是——光線的波長(zhǎng)，因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡是利用光線來(lái)看物體的，為了要看到物體，物體的尺寸必須大于光的波長(zhǎng)，這就是光學(xué)顯微鏡所以會(huì)有極限的原因，也稱為光的衍射效應(yīng)的影響，是無(wú)法克服的極限，這個(gè)極限在200毫微米左右。說(shuō)明：

首先：人眼分辨本領(lǐng)大致為0.1毫米，即指兩點(diǎn)如分開0.1毫米左右，一般可清晰分辨。

有效放大率=人眼分辨本領(lǐng)值/顯微鏡分辨本領(lǐng)值

如果設(shè)顯微鏡分辨本領(lǐng)值為200毫微米（200×10^-9）

則有效放大率=0.1×10^-3米/200×10^-3×10^-6米=500倍

通常把前面定義的有效放大率再提高一至二倍，可使操作更清晰。如放大1000—1500倍，則分辨本領(lǐng)為0.1毫米的肉眼，觀察0.2—0.3毫米相距的微米粒子徑像會(huì)毫不吃力了。