[揽瓜阁精读] 146. 显微镜

Natalie～

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cat29622005

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爆裂鼓手

（一）小于可见光波长的物体是当代科学技术的主要内容。生物学家研究单分子蛋白质或DNA；材料科学家检查晶体中的原子级缺陷；微电子工程师设计的电路图样只有几十个原子厚。直到最近，这个微小的世界还只能通过电子显微镜和x射线 衍射等繁琐且往往具有破坏性的方法来观察它。它是任何像我们所熟悉的光学显微镜那样简单直接的仪器都无法达到的。
（二）一组新的显微镜打开了直接遮蔽的领域。该装置可以绘制无张力和分子形状、电、磁和机械性能，甚至温度变化的分辨率比以往任何时候都高。需要修改标本或将其暴露在破坏性的高能量的辐射中。这一成就似乎难以置信。毕竟，100多年前，EA这个人描述了任何依靠透镜聚焦光或其他辐射的显微镜的一个基本限制：衍射会模糊小于辐射波长约一半的细节。
（三）IBM苏黎世研究实验室的GB和HR因其在1986年获得诺贝尔奖而以扫描隧道显微镜为代表的新型显微镜克服了A壁垒。他们这样做的原理在1956年首次被描述出来。AO当时在美国陆军测绘局工作，他提出了一种显微镜，在这种显微镜中，光线可以穿过不透明屏幕的一个小孔，照亮前方的物体。当样品被来回扫描时，通过样品或通过孔反射回来的光被记录下来。OK指出，这种扫描近场显微镜的分辨率只受孔大小的限制，而不受光的波长的限制。原则上，该设备可以制作出分辨率极高的图像——图像显示的细节小于半个波长。
（四）OK承认，能够精确定位和移动物体的技术还不存在。然而，UCL的EA在1972年采用了长波长辐射策略，绕过了A壁垒。他将波长为3厘米的微波辐射通过针孔大小的孔径，扫描物体前面的物体，记录下分辨率为XX的图像。
（五）直到那时，控制样品位置和移动的精确程度已经可以超过传统光学显微镜的分辨率。在A演示的同一年，RDY在三维空间成功以1纳米精度操纵物体。他依赖于p材料，当材料的电势发生变化时，材料的尺寸会发生微小的变化。压电控制技术为1981年近场显微镜的发展开辟了道路，即STM。
（六）在STM中，孔径是一个微小的坞探针，它的尖端磨得非常细，可能只由一个原子组成，宽度只有0.2纳米。压电控制将探针尖端控制在导电微粒表面一到两纳米的范围——如此接近以至于探针尖端原子的电子云与样品中最近原子的电子云重叠。当在尖端施加小电压时，电子就会“穿过”间隙，产生极小的隧穿电流。电流的强度对缝隙的宽度非常敏感；通常情况下，间隔每增加1纳米——原子直径的一半，它就减少10倍。
（七）X和y匹匝电控制在光栅模式下来回移动探针，其平行轨迹之间的距离可能只有纳米的几分之一。如果探针保持在一个稳定的倾角，遂穿电流就会急剧波动，当探针穿过表面原子等凸起时，隧穿电流就会增加，而当它穿过原子之间的间隔时，遂穿电流就会下降到零。相反，探测器上下移动与地形一致。反馈机制感知隧道电流的变化，并改变施加到第三个控制单元Z上的电压。Z压电使探头垂直移动以稳定电流并保持。

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