我们如何看到微观世界

我们的肉眼看到的世界只能是可触碰的物体，组成这些物体的其实是更为细微的物质，肉眼不可见的。我们是如何看见这些肉眼不可见的东西的？

我们的眼睛往往看到的都是宏观的物质。大楼，汽车，山川，河流，天空，后来，我们有了天文望远镜，我们可以看到千万光年之外的银河，星星。但是，你想看到微观的世界吗？通过天文望远镜看宇宙的世界，而看微观的世界则需要通过扫描隧道显微镜。

扫描隧道显微镜根据量子力学原理中的隧道效应而设计。当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV-2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.1-0.2nm，纵向可达0.001nm。它的优点是固态、液态和气态物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。

1933年，德国物理学家厄恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）等人首次发表了关于电子显微镜的实验和理论研究，并制作出了世界上第一台电子显微镜（或者更精确一点，透射电子显微镜）。鲁斯卡因为透射电子显微镜的发明而获得了1986年的诺贝尔奖。

1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛·宾尼（G．Binning）和海·罗雷尔（H．Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究所作出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖金。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。

（扫描隧道显微镜）

扫描隧道显微镜是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种以原子尺寸观察物质表面结构的显微镜，其分辨率水平方向可达0.04nm，垂直方向可达0.01 nm。它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因其具有原子和纳米尺度的分析和加工的能力，在纳米技术的发展中占有着极其重要的地位。

使用扫描隧道显微镜，物理学家和化学家可以研究原子之间的微小结合能，制造人造分子；生物学家可以研究生物细胞和染色体内的单个蛋白质和DNA分子的结构，进行分子切割和组装手术；材料学家可以分析材料的晶格和原子结构，考察晶体中原子尺度上的缺陷；微电子学家则可以加工小至原子尺度的新型量子器件。

1982年发明在真空条件下工作的STM以来，扫描隧道显微技术及其应用得到了迅猛发展。1984年STM先后用于在大气、蒸馏水、盐水和电解液环境下研究不同物质的表面结构。后来，在STM 的原理的基础上又发明了一系列新型的显微镜。这些显微镜包括： 原子力显微镜（AFM)、激光力显微镜（LFM）等等一些显微镜。

扫描隧道显微镜不但使得人们的视野可直接观察到物质表面的原子及其结构并进而分析物质表面的化学和物理性质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料进行加工处理，甚至可以操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工(纳米分子学)和分子切割(纳米生物学)的一个重要手段。

扫描隧道显微镜的出现为人类认识和改造微观世界提供了一个极其重要的新型工具。随着实验技术的不断完善，扫描隧道显微镜将在单原子操纵和纳米技术等诸多研究领域中得到越来越广泛的应用。扫描隧道显微镜在纳米技术中的应用必将极大地促进纳米技术不断发展。21世纪科学的发展中，扫描隧道显微镜将渗透到表面科学、材料科学、生命科学等各个科学技术领域中。

可以这么说，扫描隧道显微镜虽然是用来观察微观世界的，但是它带来的科研价值却足以改变我们在宏观世界的生活！（编辑：卷扬机）