[揽瓜阁精读] 146. 显微镜

PennyWen95

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[揽瓜阁精读] 146. 森林大火
小于可见光波长的物体是当代科学和技术的主要内容。生物学家研究蛋白质或DNA的单分子;材料科学家检查晶体中的原子尺度缺陷;微电子工程师布置的电路图案只有几十个原子厚。直到最近，这个微小的世界只能通过繁琐的，通常是破坏性的方法看到，如电子显微镜和X射线衍射。它超出了任何仪器的范围，就像熟悉的光学显微镜一样简单和直接。
一系列新型显微镜为直接观察打开了这个领域。这些设备可以比以往更高的分辨率绘制原子和分子形状，电，磁和机械性能甚至温度变化，而无需修改样品或使其暴露于破坏性的高能辐射中。这一成就似乎难以置信。毕竟，100多年前，德国物理学家和透镜制造商恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）描述了任何依靠透镜聚焦光或其他辐射的显微镜的基本局限性：衍射掩盖了小于辐射波长一半的细节。
以扫描隧道显微镜为代表的新型显微镜，IBM苏黎世研究实验室的格尔德·宾尼格和海因里希·罗勒于1986年获得诺贝尔奖 - 轻松克服了这一阿贝障碍。他们这样做的原则在1956年首次被描述。在那一年。当时美国陆军测绘局的A.O'Keefe提出了一种显微镜，光线将通过不透明屏幕上的一个小孔照射进来，直接照亮屏幕前方的物体。通过样品传输或通过孔反射回来的光将在来回扫描样品时被记录下来。O'Kcefe指出，这种“扫描近场显微镜”的分辨率将仅受孔的大小限制，而不受光波长的限制。原则上，该设备可以制作超分辨率图像 - 显示小于半个波长的细节的图像。
O'Keefe承认，能够以所需的精度定位和移动物体的技术并不存在。然而，通过诉诸长波长辐射，伦敦大学学院的埃里克·阿什（Eric Ash）于1972年采用了奥基夫战略，以规避阿贝屏障。他将波长为三厘米的微波辐射穿过针孔大小的孔径，并扫描其前方的物体，以记录分辨率为150微米的图像 - 波长的百分之一。
到那时，控制样品位置和运动的方法已经变得可用，其精度超过传统光学显微镜的分辨率。在阿什演示的同一年，国家标准局的Russell D. Young成功地以大约一纳米（十亿分之一米）的精度操纵了三维物体。他依赖于压电陶瓷材料，当整个材料的电势发生变化时，其尺寸会略有变化。压电控制为1981年开发扫描近场显微镜，扫描隧道显微镜或STM开辟了道路[参见“扫描隧道显微镜”，由Gerd Binnig和海因里希·罗勒;《科学美国人》，1985年8月）。
在STM中，“孔径”是一个微小的钨探头，它的尖端接地非常精细，它可能只由一个原子组成，宽度仅为0.2纳米。
压电控制将尖端操纵到导电样品表面的一两纳米范围内 - 如此接近，以至于探针尖端的原子的电子云和样品中最近的原子重叠。当向尖端施加小电压时，电子在间隙上“隧道”，产生微小的隧穿电流。电流的强度对间隙的宽度非常敏感;通常，每当间隙扩大1纳米时，它就会减少10倍。1纳米 - 原子直径的一半。
X和y压电控制（控制平面两维中的运动）以光栅模式在试样表面上来回移动探针，其平行轨迹可能相隔几分之一纳米。如果探头保持稳定的高度，隧道电流将急剧波动，随着尖端越过表面原子等凸块而增加，并在穿过原子之间的间隙时下降到无。相反，探测器与地形一致地上下移动。反馈机制可感测隧道电流的变化，并改变施加到第三个 Z 控制器的电压。Z型压电器件垂直移动探头以稳定电流并保持。