什么是掃描隧穿顯微鏡

金仲輝

讀者小川問：“掃描隧穿顯微鏡是一種什么樣的顯微鏡？它和普通顯微鏡有什么不同？”在上期文章中我們介紹了量子力學，這里所提到的掃描隧穿顯微鏡就是量子力學的典型應用.它的工作原理是量子力學中的隧道效應.

什么是隧道效應

隧道效應又被稱為勢壘貫穿效應，它是由微觀粒子波動性所決定的量子效應.根據我們在課堂上所學過的機械能轉化知識，如圖1所示的小球.如果它在A處的動能小于它在B處的勢能，在沒有外力的作用下，小球是無法到達并跨越B點的，但是，按照量子力學的結論，如果小球換成了微觀粒子，在向上運動的過程中，它是有可能到達B點甚至跨越B點，當然微觀粒子到達并跨越B點的概率要小于無法到達B點的概率.在物理學中，勢能比附近都高的空間區域被稱為勢壘.在圖1中B點附近所屬的區域就是勢壘，在微觀領域中，即使粒子的能量小于勢壘，也有可能穿越它，這就是勢壘貫穿效應.即隧道效應.勢壘的勢能越大、區域越厚，則微觀粒子穿越的概率越小（如圖2）.隧道效應是微觀世界中的一種效應，在宏觀世界中小球是永遠無法到達并跨越B點的.隧道效應是理解許多自然現象的基礎，例如某些放射性元素內部粒子所擁有的能量小于離開原子核所需要的能量.但是由于隧道效應，有一部分粒子卻依然可以離開原子核，使元素產生放射性.

掃描隧穿顯微鏡

普通的顯微鏡是利用光學原理來觀察宏觀物體的結構，而掃描隧穿顯微鏡是利用隧道效應去觀察原子尺度的微觀結構，其工作原理如圖3所示：將需要觀察的固體樣本不斷靠近針尖，當兩者距離達到納米數量級時，由于隧道效應，固體樣本上的電子就會向針尖移動.使整個電路中的電流發生變化，通過現代電子技術，測出電流的變化就可以知道被測固體樣本的表面結構.

掃描隧穿顯微鏡具有極高的靈敏度，它能夠分辨出只有1%原子大小的細節，使人們能夠觀察原子尺度的微觀結構，此外，利用掃描隧穿顯微鏡的探針還可以按照人們的意愿移動單個原子.圖4所示就是科學家利用探針撥動單個碳原子所繪制出的中國版圖.

掃描隧穿顯微鏡的出現不僅解釋了固體物理中的一些難題，它在材料科學、生命科學等領域的研究也有著重大的意義和廣闊的應用前景.掃描隧穿顯微鏡的發明者賓寧和羅雷爾也因此獲得了1986年的諾貝爾物理學獎.