帶你去看一個奇異世界 お

袁凱捷

也可能提到奇異世界，各位同學立刻想到了小時候讀過的童話故事《小人國》，一位叫格列佛的英國醫生有一次航海飄[JP2]到了一個奇異世界，那兒的人身高都不滿六英尺，故稱為小人國.可是，我告訴你那還不夠小，我們可以用STM看 到更小的世界.有多?。课覀兛梢钥吹皆樱∠茸屛覀冃蕾p一下下面兩圖.

大家看到的圖1是一位老師的頭發側面，在STM中看到的如同蛇一樣長滿“鱗片”；圖2是金屬鎢的原子圖片，充滿了一種神秘的對稱美.

如果大家也想去看微觀世界中更多的奇異景象，那你就要學習使用掃描隧道顯微鏡（STM）.一提到顯微鏡，大家都想到了它是能將微小物體放大，讓人的眼睛直接觀察的儀器.普通光學顯微鏡的分辨率最多是人眼的200倍，電子顯微鏡的分辨率可達到人眼的20萬倍，但即使這樣還是不能看到原子的真面目，直到1982年，IBM瑞士蘇黎士實驗室的葛·賓尼（G·Binning）和?！ち_雷爾（H·Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunnelling Microscope，簡稱STM）.STM使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質，被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一.為表彰STM的發明者們對科學研究所作出的杰出貢獻，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學獎金.

下面就和大家具體談談掃描隧道顯微鏡.

1 掃描隧道顯微鏡概述

STM作為一種掃描探針顯微術工具，可以讓大家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率.此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具.

2 掃描隧道顯微鏡工作原理

掃描隧道顯微鏡是如何“看”到原子的呢？這一問題要從理論上說清楚是非常復雜的，我們可以采用類比的方法加以敘述.我們知道，人之所以可以看到物體的形狀，是因為光線射到了物體的表面，由于物體表面的差異，各部分反射到我們眼睛中的光線也有了相應的差異，從而看到了物體的形狀.我們的眼睛越靠近物體表面，對其表面的差異也就看得越清楚.掃描隧道顯微鏡利用探針在非常接近樣品表面時，來回逐行“看”樣品表面，并通過電腦處理將其所“看”到的樣品表面原子分布情況顯示在屏幕上.只不過探針“看”樣品表面的過程并不是通過樣品表面反射的光線，而是像科學家形象地比喻為“盲人摸象”那樣，其中探針像盲人的手指，由于這個“手指”特別的小，當其非常接近樣品表面時，就會“感覺到”樣品表面原子這樣的“小東西”的凹凸情況，當探針在樣品表面來回運動（掃描）時，原子凸起處，離探針的距離就小；原子凹陷處，離探針的距離就大.這一距離的變化，就會引起探針中電流的變化，它被電腦記錄下來，再經過放大和處理，從而使人們看到了原子的真面目.

3 掃描隧道顯微鏡基本組成及結構

STM包括隧道針尖、三維掃描控制器、減振系統、頭部探測系統、電子學控制系統和計算機軟件系統四部分，各部分的關系如下圖5所示.

從上面的說明可以看出，掃描隧道顯微鏡最為關鍵的乃是“探針”，所以探針的制作非常重要，探針的針尖越小，對樣品表面的凹凸情況描述得就越細致，分辨率越高.掃描隧道顯微鏡探針的一種其原材料就是純度很高的鉑金，毫不夸張地講，這是中學階段耗材最貴的實驗了，因此探針的制作要非常地細心和耐心，同時也需要對科學執著地精神.

4 納米科技在我國中學教育階段的發展

發達國家政府紛紛提出優先發展納米科技的國家戰略，制定專門計劃，加大投入，推動納米科技的發展，搶占21世紀的科技戰略制高點.納米科技的興起，對我國提出了嚴峻的挑

戰，也為我國實現跨越式發展提供了難得的機遇.

在1988年，白春禮成功研制了國內第一臺計算機控制、有數據分析和圖像處理系統的掃描隧道顯微鏡，這一科學成就使我國在表面研究領域一步跨入了“原子世界”.1993年初，白春禮和超導專家趙忠賢合作推出了我國第一臺低溫STM，對于研究低溫下材料的表面特性有重要的意義.

中學納米創新實驗室受到了教育部的極大關注，教育部教育裝備研究與發展中心將其作為教育部“十二五”規劃重點課題之子課題進行研究與開發，先后在國內數個中學成功試點，比如蘇州獨墅湖學校是國內第一所納米科技特色學校，北京第八中學是第一所舉辦納米夏令營的學校，目前教育部努力向全國推廣.

STM的發展僅有數十年的歷史，它使人們對微觀世界的探索和研究大大前進了一步，并且作為橋梁使宏觀世界和微觀世界的距離大大縮短.納米以下的結構是下一階段科技發展的一個重點，它將引起21世紀又一次產業革命.希望各廣大青少年朋友努力學習科學文化知識，促進我國在這一領域率先在國際上取得突破性進展，為人類發展做出更大貢獻！