科学网—科学的科普（9）突破极限（4）摸到最小
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2024-7-15 13:15
| 系统分类: 科研笔记
科学的科普（9 ） 突破极限（4）摸到最小
张武昌 2024年7月14日星期日
上一讲介绍了光学（透镜反射镜）显微镜看小已经到了看到原子的极限能力，这一讲介绍触觉成像看到原子的事。
图像除了看到之外，还能摸到，例如盲文。通过触摸感知凸点的排列方式就可以形成图案，如果图案足够细致，就可以成为图像。
那么通过触觉能否成像原子呢？科学家一直有这个梦想。
触觉成像原子也是看到很小的物体，所以这些仪器也被称为显微镜，由于其原理不同于光学（透镜反射镜）显微镜， 在严谨的表达中一般加上扫描二字作为区别。扫描就是像用扫帚扫地一样描画一个一个的点。
根据扫帚的不同，扫描显微镜分为扫描光学显微镜和扫描探针显微镜两大类。
扫描光学显微镜
扫描光学显微镜的扫帚是X光和电子束。
扫描式X射线显微镜
在扫描式X 射线显微镜中，入射光束一般被聚焦得很细小，如几十个纳米，所以物体上只有一个很小的区域被光照射，探测器上只得到这一个点的放大图像，相对移动物体与光的位置，可逐点得到物体上各点的像，这些点像被逐点输入计算机，经处理后在显示器上显示出完整的图像。这种显微镜使用较少。
扫描电子 显微镜SEM
1932 年， Knoll 提出了 SEM 可成像放大的概念， 柏林工业大学压力实验室的年轻研究员卢斯卡（ Ernst Ruska ）和克诺尔（ Max Knoll ）对阴极射线示波器做了一些改进，成功得到放大几倍后的铜网图像，确立了电子显微法， 并在 1935 年制成了极其原始的模型。
电子显微镜的作用原理与光学显微镜完全不同，光学显微镜利用的是光在被测物体上发生的反射，然后通过透镜收集直接进入人的眼睛。电子显微镜则使用电子枪向被测物体发射高能（ 最高可达 30keV ）电子束， 经会聚透镜、物镜缩小和聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。
由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。二次电子收集极将各个方向发射的二级电子汇集起来，通过信号转换在荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子像，能够观察试样表面 3-6 纳米左右的细节， 距离要看到原子所需要的 200 万到 300 万倍，还有最后一段最艰难的路要走。
扫描探针显微镜（scanning probe microscopy, SPM）
扫描探针显微镜利用一根尖锐的原子级探针在材料表面移动，通过监测探针与材料之间由于量子力学原理产生的电流、力等信号“摸”出材料的表面形态。扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM, 1986年诺贝尔物理奖）和原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM, 2016年卡夫里奖），由此得出的变型有静电力显微镜、磁力显微镜、扫描粒子电导显微镜、扫描电化学显微镜、qPlus型光耦合扫描探针显微镜。
扫描隧道显微镜 STM
1981 年， IBM 的苏黎世实验室中，格尔德 · 宾尼希（ Gerd Binnig ）及海因里希 · 罗雷尔（ Heinrich Rohrer ）两位科学家根据量子隧穿效应，发明了扫描隧道显微镜（ Scanning Tunneling Microscope ， STM ），他们也因此获得了 1986 年诺贝尔物理学奖。
由于电子的隧道效应，金属中的电子并不是完全局限于严格的边界之内，也就是说，电子密度不会在表面处突然骤降为零，而是会在表面之外指数性衰减，衰减的长度量级大约为 1 纳米。如果两块金属靠的很近，近到了 1 纳米以下，他们表面的电子云就会发生重叠，也就是说两块金属的电子之间发生了相互作用。如果在这两块金属之间加一个电压，就会探测到一个微小的隧穿电流，其大小和两块金属之间的距离有关，这就是扫描隧道显微镜的基本原理。
与电子显微镜不同，扫描隧道显微镜跟我们见过的老式唱片机有着非常相似的工作原理。一根极细的探针（针尖仅仅由一个原子组成）
慢慢摸过被测物体，当针尖带有一个电荷时，一股电流从探针流出，通过整个材料。
当探针通过单个的原子时，流过探针的电流量便有所变化， 这些变化被记录下来形成极其细致的原子的轮廓，从而逐个观测原子。并且分辨率达到 0.1纳米 ，也就是 1 Å 。
移动针尖的位置就可以探测到金属的表面信息（表面的起伏、表面电子态密度等等）
硅表面的原子图像
由于扫描隧道显微镜不存在传统光学显微镜意义上的 “ 放大倍数 ” ，但是用人眼分辨率 0.1 毫米换算得出的放大倍数远远超过 300 万倍。
扫描隧道显微镜不仅可以观察单个原子和原子的排列，还可以在低温下（ 4K ）用探针精密操作原子。 1990 年，美国 IBM 公司的两位科学家就发现，在用扫描隧道显微镜观察金属表面氙原子时，靠近探针的氙原子也会跟随探针作同样的移动。他们根据这一现象改变原子的位置，创造出了由几十个氙原子排列成的 IBM 字母。
1993 年，一个美国科研团队第一次向世界展示他们的量子围栏——由放置于铜表面的48个铁原子组成的圆圈，围栏内有驻波。
原子力显微镜 AFM
虽然扫描隧道显微镜可以有效地看到单个原子并操纵它们，但是只能用来观察导体，半导体的效果就很差了，而绝缘体则完全无法观测。
为了弥补这一缺陷，发明了扫描隧道显微镜的格尔德 · 宾尼希再接再厉，在 1985 年发明了原子力显微镜（ atomic force microscope ， AFM ）。原子力显微镜的原理与扫描隧道显微镜大致相同，都是通过探针和原子表面发生相互作用。区别在于，原子力显微镜采用了原子间的相互作用（如范德华力）作为信号进行收集，而非隧道电流，这就使得原子力显微镜可以观察诸如陶瓷的绝缘体。
将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的 等位面 而在垂直于样品的表面方向 起伏运动 。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品 表面形貌 的信息。
原子力显微镜结合其他技术发展了很多变型，如2021年的定位原子力显微镜Localization atomic force microscopy（LAFM），2024年的低温版量子钻石原子力显微镜。
结语
这些显微镜也是只到原子水平，原子内部的情形就摸不到了。
原子是显微镜的极限，原子内部的研究需要新的仪器。且看下回分解。
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