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文章结构： 第一段：用光学显微镜观察微观粒子的局限性：①过程繁琐;②破坏样本;③有不可见的范畴。 小于可见光波长的物体是现代科学和技术的主要组成部分。生物学家研究蛋白质或者DNA的单个分子；材料检查晶体中的原子级缺陷；微电子学工程师设计出的电路模式只有几十个原子的厚度。直到最近这个微小的世界才只能被繁琐且经常是具有破坏性的方式观察到，例如，电子显微技术和X射线衍射。它不在我们所熟悉的任何简单且直接的光学显微镜的可视范围内。
第二段：新型显微镜的优势：①图像分辨率高;②测量的灵敏度高;③无需破坏样本。突破了之前EA提出的光学显微镜局限性。 一系列新的显微镜为直接观察开辟了这一领域。这些设备能以比以往任何时候都高的分辨率绘制出原子和分子的形状、电，磁和机械物质、甚至是比以前确定性更高的温度变化，而无需修改样本或使其暴露于具有破坏性的高能辐射中。这项成就看似难以置信。毕竟，在100多年前，德国物理学家兼透镜制造者EA说出了任何依赖于透镜来聚光或其他放射线的显微镜的一个基本的局限性：衍射使大约小于辐射一半波长的细节变得模糊。
第三段：阐明AOK提出的新型显微镜的工作原理，以此证明其具有不受光波长限制的优势。 IBM苏黎世研究实验室的GB和HR在1986年，凭借以隧道扫描显微镜为代表的新型显微镜获得了诺贝尔奖，以此克服了EA所说的障碍。他们所依照的原理在1956年首次被阐释出来。那年，美国陆军测绘局的AOK提出了一种光可以透过一个不透明屏幕上的小孔照射的显微镜，可以直接照亮屏幕前面的物体。当样本被来回扫描时，透过样本或通过小孔被反射回来的光会被记录下来，AOK指出这种”扫描近场显微镜“的清晰度只受到小孔尺寸的限制而不会被光的波长所限制。用这个原理可以制作出能显示出小于一半波长的细节的超分辨率图像。
第四段：在AOK提出的原理的基础上，艾瑞克又提出了进一步提高显微镜图像清晰度的方法。 AOK承认能够以需要的精确度定位并移动一个物体的技术并不存在。然而，通过求助于长波辐射，伦敦大学学院的艾瑞克在1972年采用了AOK的策略，从而规避了EA所提出的障碍。他让3厘米波长的微波射线通过一个针孔大小的孔隙并扫描了空隙前面的一个物体，以此用150微米（波长的百分之1到2）的分辨率来记录其形象。
第五段：压电晶体能以特定得精确度控制样本位置及运动的技术促进了隧道扫描显微镜得发展。 在那时，超越传统的光学显微镜，以需要的精确度来控制样本位置和运动的方法已经变得可行了。同年，作为EA的论据，标准局的RDY成功地以大约1纳米（十亿分之一米）的精确度成功操控了三维物体。他依赖于当通过的电压变化时，其尺寸能够发生轻微改变的压电陶瓷材料。压电晶体为1981年的近场显微镜的最大的例子——隧道扫描显微镜（STM，GB和HR，科学美国人，1985年8月）的发展开辟了道路。
第六段：阐述用隧道扫描显微镜测量隧穿电流强度的工作原理。 在隧道扫描显微镜中，孔隙是一个微小的钨探针，它的尖端被打磨得非常细，以至于只由单个原子组成并且测量宽度只有0.2纳米。压电晶体调整其尖端距离被操作样本表面的1纳米或2纳米以内，如此地接近，以至于探针尖端的原子的电子云与最接近的样本的原子的电子云相重叠。当一个微小的电压施加于尖端时，电子会隧穿过间隙，产生极小的隧穿电流。该电流的强度对间隙的宽度变化非常敏锐；通常地，间隙每扩大0.1纳米（原子直径的一半），电流强度会相应地减小10倍。
第七段：阐述在二维平面和三维空间使用隧道扫描显微镜时，隧穿电流的变化规律。 X和Y压电晶体（控制平面的二维运动）会在光栅模式下的样本表面来回移动探针，其平行轨迹也许会被分成纳米比例的大小。如果探针保持在稳定的高度，隧穿电流会发生剧烈的波动，当尖端通过的凸起（例如表面的原子）时，电流会增加；并且当尖端穿过原子间的间隙时，电流会降低为0。探针在同一位置上下移动时相反。反馈机制感应隧穿电流的变化并且改变施加于第三方Z控制的电压。Z压电晶体沿着探针垂直移动以稳定并保持电流强度。
文章主旨： 文章首先阐述了传统光学显微镜在观察微观粒子方面的局限性，随后说明了以隧道扫描显微镜为代表的新型显微镜的优点，后来人们又在基础的隧道扫描显微镜上加以改进，使其图像分辨率变得更高，并且又使其具有了控制样本位置和运动的功能。并分别阐释了这些功能的工作原理。 | 
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发表于 2022-10-27 13:54:01
