帶你去看一個奇異世界 お

袁凱捷

也可能提到奇異世界，各位同學(xué)立刻想到了小時候讀過的童話故事《小人國》，一位叫格列佛的英國醫(yī)生有一次航海飄[JP2]到了一個奇異世界，那兒的人身高都不滿六英尺，故稱為小人國.可是，我告訴你那還不夠小，我們可以用STM看 到更小的世界.有多小？我們可以看到原子！先讓我們欣賞一下下面兩圖.

大家看到的圖1是一位老師的頭發(fā)側(cè)面，在STM中看到的如同蛇一樣長滿“鱗片”；圖2是金屬鎢的原子圖片，充滿了一種神秘的對稱美.

如果大家也想去看微觀世界中更多的奇異景象，那你就要學(xué)習(xí)使用掃描隧道顯微鏡（STM）.一提到顯微鏡，大家都想到了它是能將微小物體放大，讓人的眼睛直接觀察的儀器.普通光學(xué)顯微鏡的分辨率最多是人眼的200倍，電子顯微鏡的分辨率可達(dá)到人眼的20萬倍，但即使這樣還是不能看到原子的真面目，直到1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（G·Binning）和?！ち_雷爾（H·Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunnelling Microscope，簡稱STM）.STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一.為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金.

下面就和大家具體談?wù)剴呙杷淼里@微鏡.

1 掃描隧道顯微鏡概述

STM作為一種掃描探針顯微術(shù)工具，可以讓大家觀察和定位單個原子，它具有比它的同類原子力顯微鏡更加高的分辨率.此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下（4K）可以利用探針尖端精確操縱原子，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具.

2 掃描隧道顯微鏡工作原理

掃描隧道顯微鏡是如何“看”到原子的呢？這一問題要從理論上說清楚是非常復(fù)雜的，我們可以采用類比的方法加以敘述.我們知道，人之所以可以看到物體的形狀，是因?yàn)楣饩€射到了物體的表面，由于物體表面的差異，各部分反射到我們眼睛中的光線也有了相應(yīng)的差異，從而看到了物體的形狀.我們的眼睛越靠近物體表面，對其表面的差異也就看得越清楚.掃描隧道顯微鏡利用探針在非常接近樣品表面時，來回逐行“看”樣品表面，并通過電腦處理將其所“看”到的樣品表面原子分布情況顯示在屏幕上.只不過探針“看”樣品表面的過程并不是通過樣品表面反射的光線，而是像科學(xué)家形象地比喻為“盲人摸象”那樣，其中探針像盲人的手指，由于這個“手指”特別的小，當(dāng)其非常接近樣品表面時，就會“感覺到”樣品表面原子這樣的“小東西”的凹凸情況，當(dāng)探針在樣品表面來回運(yùn)動（掃描）時，原子凸起處，離探針的距離就?。辉影枷萏?，離探針的距離就大.這一距離的變化，就會引起探針中電流的變化，它被電腦記錄下來，再經(jīng)過放大和處理，從而使人們看到了原子的真面目.

3 掃描隧道顯微鏡基本組成及結(jié)構(gòu)

STM包括隧道針尖、三維掃描控制器、減振系統(tǒng)、頭部探測系統(tǒng)、電子學(xué)控制系統(tǒng)和計算機(jī)軟件系統(tǒng)四部分，各部分的關(guān)系如下圖5所示.

從上面的說明可以看出，掃描隧道顯微鏡最為關(guān)鍵的乃是“探針”，所以探針的制作非常重要，探針的針尖越小，對樣品表面的凹凸情況描述得就越細(xì)致，分辨率越高.掃描隧道顯微鏡探針的一種其原材料就是純度很高的鉑金，毫不夸張地講，這是中學(xué)階段耗材最貴的實(shí)驗(yàn)了，因此探針的制作要非常地細(xì)心和耐心，同時也需要對科學(xué)執(zhí)著地精神.

4 納米科技在我國中學(xué)教育階段的發(fā)展

發(fā)達(dá)國家政府紛紛提出優(yōu)先發(fā)展納米科技的國家戰(zhàn)略，制定專門計劃，加大投入，推動納米科技的發(fā)展，搶占21世紀(jì)的科技戰(zhàn)略制高點(diǎn).納米科技的興起，對我國提出了嚴(yán)峻的挑

戰(zhàn)，也為我國實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了難得的機(jī)遇.

在1988年，白春禮成功研制了國內(nèi)第一臺計算機(jī)控制、有數(shù)據(jù)分析和圖像處理系統(tǒng)的掃描隧道顯微鏡，這一科學(xué)成就使我國在表面研究領(lǐng)域一步跨入了“原子世界”.1993年初，白春禮和超導(dǎo)專家趙忠賢合作推出了我國第一臺低溫STM，對于研究低溫下材料的表面特性有重要的意義.

中學(xué)納米創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室受到了教育部的極大關(guān)注，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心將其作為教育部“十二五”規(guī)劃重點(diǎn)課題之子課題進(jìn)行研究與開發(fā)，先后在國內(nèi)數(shù)個中學(xué)成功試點(diǎn)，比如蘇州獨(dú)墅湖學(xué)校是國內(nèi)第一所納米科技特色學(xué)校，北京第八中學(xué)是第一所舉辦納米夏令營的學(xué)校，目前教育部努力向全國推廣.

STM的發(fā)展僅有數(shù)十年的歷史，它使人們對微觀世界的探索和研究大大前進(jìn)了一步，并且作為橋梁使宏觀世界和微觀世界的距離大大縮短.納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點(diǎn)，它將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命.希望各廣大青少年朋友努力學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識，促進(jìn)我國在這一領(lǐng)域率先在國際上取得突破性進(jìn)展，為人類發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)！