能看清单个原子的隧道显微镜

要知道电子扫描隧道显微镜的原理先得弄清什么是隧道现象。

以金属为例，大家知道，电子在金属中犹如容器中的气体分子一样可以自由运动。但电子却不能任意越过金属表面而出来，即表面存在一定高度的势垒。电子被表面这座“山”挡住了。电子要翻越“大山”到达另一边，必须具有一定的能量。但如果“山”脚下有一隧道横贯“大山”，那么情况就不同了，电子能量虽不足以翻越“大山”，却可以穿过隧道而到达另一边。近代物理学的研究证明，金属内部的电子确实有一定的机会通过表面位垒“山”脚下的“隧道”而出现在表面外的一定区域。这就是所谓的隧道现象。

有人做过实验，将两块导电板中间放置一层绝缘薄膜，在导电板上加上电压，电路中不会产生电流，但当绝缘层厚度减小到一定值（数十埃）时， 电路中就会产生电流，这就是隧道效应导致的隧穿电流，此电流大小与两电极间距有关，间距改变 1 埃，电流将改变数十倍。

1982 年 IBM 公司的 G·宾尼格和 H·罗雷尔根据上述原理研制成功了具有原子分辨能力的扫描隧道显微镜。

这种显微镜的放大倍数可达 300 万倍以上，能分辨两个相隔仅有 1／10 原子直径的东西。也就是说，它的分辨本领高达 0.l 埃！

这是显微学史上又一个重要的里程碑！

通过它，人们看到了过去在理论上预言到却从未真实见到过的细微结构

——原子。

这种显微镜的工作原理与以往的显微镜大不一样，它既不需要任何光或辐射源，也不需要聚焦系统。其主要部件是一根直径仅为几个原子大小的尖锐金属探针。将探针接近被测样品，并在其间加 2—10 伏的小电压，当两者

距离十分小时（约 1 纳米），电子就可因量子隧道效应在没有接触的针尖和样品间流动，即产生了隧穿电流。保持两者的距离不变，隧穿电流也保持不变，然而实际上物体表面的原子结构会改变两者之间的距离，于是隧穿电流

就会变化。隧穿电流对针尖和样品间距离的微小变化异常敏感，如针尖在样品表面扫描时改变 1 个原子大小的间距，隧穿电流即可变化 1000 倍。将携带原子结构信息的隧穿电流输入计算机，经处理后即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图象。

隧穿电流的大小除与探针和表面的间隔有关外，还与表面的成分，电子状态等有关。采用一定的技术可以从电流变化信号中把这些信息提取出来， 因此，扫描隧道显微镜既是一种“超级显微镜”，又是一种多功能的分析仪器。它使人们对原子世界的认识更深邃。从它诞生至今的短短十多年中，在许多领域取得了应用研究成果。如用它观察到精美的单个原子结构图象；探测原子周围电子云的状态；证实了介于晶体与非晶体之间存在的一种准晶体；⋯⋯以往的一般电镜需在真空中观察样品，故样品必须脱水，但是没有一种生物能离开水而活着。

扫描隧道显微镜可以在大气或液体中工作，对观察的样品无任何特殊要求，为活体显微研究打开了大门。科学家们已用它观察到了脱氧核糖核酸

（DNA）分子双螺旋结构的清晰图象。

透射电子显微镜和扫描隧道显微镜的发明均为人类增添了洞察超微世界的眼睛，为此，瑞典皇家科学院决定，将 1986 年诺贝尔物理学奖的一半授予联邦德国的恩斯特·鲁斯卡教授，另一半分别授予瑞士苏黎世国际商业机器公司研究实验室的联邦德国学者格尔德·宾尼格博士和瑞士学者海因里希·罗雷尔博士，以表彰和奖励他们所做出的贡献。