[揽瓜阁精读] 146. 显微镜

sevensevenseven

146

Kacerlotte

146. 显微镜STM

逻辑简图：

P1: 介绍背景---小于可见光波长的物体是现代科学研究的重点，一直以来观测的方法都比较笨重，比如通过电子显微镜或是X光衍射

P2: 历史难题---一个新的显微镜家族打开了新世界，尽管百年前Abbe曾说过显微镜的天花板：因为衍射的影响，所有通过镜片对焦的显微镜都看不到小于射线波长一半的物体

P3: STM理论基础--- STM发明者得了诺奖，但是其实原理早在1956年就已经提出：小孔照射，接收反射光线完成绘图；与波长无关，至于孔的大小有关，所以可以打破Abbe barrier

P4: STM前身1--- EA用微波照了张大小为（看到了）百分之几波长的照片，打破了Abbe barrier

P5: STM前身2---RDY用压电材料做出了可以在微观世界控制位置和运动的机制

P6: STM原理1---这种显微镜的”孔“是极细的钨探针，细到顶端只有一个原子那么大，探测时将探针针头尽可能贴近样本，近到针尖原子的电子云都能跟样本发生重叠，然后来回扫描

P7: STM原理2---除了水平运动，它还会垂直运动，这样就能保证电压稳定

结构手法：

介绍背景--->介绍STM的理论基础和实验基础--->介绍STM

意图/态度：

向读者介绍STM的由来和原理

Oli~

0922 10:07
主题：介绍显微镜的进化
P1：引入话题，指出当代科学主要的研究之一是比可见光波长还小的物体，但是缺乏工具和方法
举例生物学家研究蛋白质/DNA的单个分子/物质学家研究晶体原子尺度的flaw——但是这样微小的世界都只能通过cumbersome/destructive的办法（比如显微镜和x光来实现），需要一个像光学显微镜那样简单和直接的工具

P2：提出一系列新的显微镜如何实现simple&direct
新的显微镜设备可以描绘原子和分子的形状、电、磁和力学性质甚至在更高分辨率下发现温度变化，不需要去modify样本本身或者将其放在更加具有危害性和高辐射的环境下（只是工具更高级了）——总结，这个成就看起来很不可思议，毕竟一百年前德国科学家已经描述了所有显微镜的一个基础性的限制：diffraction模糊了很多细小的细节（所以很难做到弥补这个局限）

P3：具体讲新型显微镜的特征和发展过程和主要人物
新的显微镜以扫描穿透scan+tunnel为特征，还因此发明家GB HR还受到了诺贝尔奖——因为毫不费力地克服了上述百年前科学家提出的局限。他们做的实验最早的理论是1956年描述的，AOK提出显微镜需要通过一个小孔来shine，直接照亮screen前的一个物体，传播的光会通过样本或通过hole反射回来，被记录被扫描。因此这种情况下分辨率只会被小孔的大小所限制，不会被光的波长限制。理论上这个装置可以制作超级高清的图片，包含一切微小细节。

P4：OK的局限和新的解决方案（从1956-1972）
OK意识到这种技术在定位和移动物体中缺乏必须的精准性。但是通过诉诸长波辐射，EA大学的学者吸纳了OK的策略，去绕过科学家提出的barrier，通过aperture pass radiation，扫描在前面的物体，以150的清晰度记录

P5：讲EA大学的办法的意义
这次，控制样本位置和移动的精确性可以被保障，同年，RDY也成功从三个维度操纵物体，以很准确的办法，P这个研究办法可以改变size slightly，为发展打开了一条路，1981年是scanning near-field的一个例子。

P6：具体讲P control的机制
讲aperture是什么，顶端很完善，包含只有一个atom，可以测量多宽的，P control通过操控顶端，很复杂的tip机制）电流强度和gap宽度的紧密关系。

P7：继续说p control，意义是什么
坐标轴xyz各自有不同的作用，从平面到立体，xyz control各自发挥什么作用
reflection：更侧重STM，发现都是围绕STM（前身-到它本身的机制和作用）

参考某层逻辑简图：

P1: 介绍背景---小于可见光波长的物体是现代科学研究的重点，一直以来观测的方法都比较笨重，比如通过电子显微镜或是X光衍射

P2: 历史难题---一个新的显微镜家族打开了新世界，尽管百年前Abbe曾说过显微镜的天花板：因为衍射的影响，所有通过镜片对焦的显微镜都看不到小于射线波长一半的物体

P3: STM理论基础--- STM发明者得了诺奖，但是其实原理早在1956年就已经提出：小孔照射，接收反射光线完成绘图；与波长无关，至于孔的大小有关，所以可以打破Abbe barrier

P4: STM前身1--- EA用微波照了张大小为（看到了）百分之几波长的照片，打破了Abbe barrier

P5: STM前身2---RDY用压电材料做出了可以在微观世界控制位置和运动的机制

P6: STM原理1---这种显微镜的”孔“是极细的钨探针，细到顶端只有一个原子那么大，探测时将探针针头尽可能贴近样本，近到针尖原子的电子云都能跟样本发生重叠，然后来回扫描

P7: STM原理2---除了水平运动，它还会垂直运动，这样就能保证电压稳定

结构手法：

介绍背景--->介绍STM的理论基础和实验基础--->介绍STM

意图/态度：

向读者介绍STM的由来和原理

Cynthiahty

第144天：显微镜
staple 研究对象
diffraction 衍射
cumbersome 繁琐的
lay beyond 无法触及
realm 领域
atomic 原子的
molecular 分子的
resolution 分辨率
implausible 难以置信
obscure 模糊
propose 提出
opaque 不透明的
resort to 求助于
circumvent 避开
precision 精度
demonstrate 演示
manipulate 操作
electrical potential 电势
aperture 孔径
probe 探针
fine 细
ground 打磨
voltage 电压
piezoelectric control 压电控制器
topography 地形
1P：小于可见光波长的物体是当代科学的重点研究对象。直到现在只能通过繁琐的、破坏性的方法研究。它们是无法触及的就像光学显微镜一样。
2P：一系列新的显微镜打开了直接观察的领域。它们可以在高分辨率下观察分子和原子的特性甚至温度变化，而不用将它们暴露在高破坏性的高能射线下。这个研究结果似乎难以置信，因为100年前EA说衍射在小于一半波长处模糊。
3P：以扫描隧道显微镜为代表的新型显微镜，轻易克服了EA障碍。A提出一种显微镜，光穿过不透明屏幕上的小孔，照在正前方物体上。A说这种扫描近场显微镜只和孔的大小有关，不受波长影响。理论上，该设备可以制作超分辨率图像--显示小于半个波长细节的图像。
4P：A说需要靠精度定位和移动的物体并不存在。但是E运用A的方法避开了EA势垒。
5P：那时，分辨率超过传统显微镜的控制样品位置和移动的方法的分辨率已经超过了传统显微镜。A演示的同年，R成功在nm程度操纵物体的三个维度。他使用尺蠖陶瓷材料—大小会随着电势发生微小的变化。
6P：在STM中，孔径是一个微小的探针，尖端打磨很细可能只宽0.2nm。当针尖施加小电压时，电子穿过间隙产生电流。电流强度对间隙宽度非常敏感，反相关。
7P：x和y压电控制器使探针以光栅图案在样品表面来回移动。如果探针保持稳定的高度，隧穿电流会剧烈波动，当探针通过表面原子等凸起时，电流会增加，而当探针穿过原子之间的间隙时，电流会降至零。也就是说探针随着‘地形’变化移动。垂直移动探头

Carmenk

P1：肉眼卡不见的东西是当前科学技术研究的主要对象。举例。直到最近这些可以被看见，因为显微镜和x-ray的出现。
P2：新的显微镜可以直接观测。仪器和以前相比更高级（在很多方面），并且不用模拟或毁坏。100年前显微镜的局限。
P3：通过扫描通道的新显微镜让GB、HR得了诺奖。这个显微镜的原理首次出现在1956.AOK提出显微镜可以通过（一些光、小孔成像的描述），并指出只受限于孔的大小不受限于光的波长。这个方法可以看到小于一半波长的东西。
P4：OK知道这项技术需要的精密度当时无法达到。1972，EA采用这个方法做了实验。