带你去看一个奇异世界 お

袁凯捷

也可能提到奇异世界，各位同学立刻想到了小时候读过的童话故事《小人国》，一位叫格列佛的英国医生有一次航海飘[JP2]到了一个奇异世界，那儿的人身高都不满六英尺，故称为小人国.可是，我告诉你那还不够小，我们可以用STM看 到更小的世界.有多小？我们可以看到原子！先让我们欣赏一下下面两图.

大家看到的图1是一位老师的头发侧面，在STM中看到的如同蛇一样长满“鳞片”；图2是金属钨的原子图片，充满了一种神秘的对称美.

如果大家也想去看微观世界中更多的奇异景象，那你就要学习使用扫描隧道显微镜（STM）.一提到显微镜，大家都想到了它是能将微小物体放大，让人的眼睛直接观察的仪器.普通光学显微镜的分辨率最多是人眼的200倍，电子显微镜的分辨率可达到人眼的20万倍，但即使这样还是不能看到原子的真面目，直到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，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.

下面就和大家具体谈谈扫描隧道显微镜.

1 扫描隧道显微镜概述

STM作为一种扫描探针显微术工具，可以让大家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率.此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具.

2 扫描隧道显微镜工作原理

扫描隧道显微镜是如何“看”到原子的呢？这一问题要从理论上说清楚是非常复杂的，我们可以采用类比的方法加以叙述.我们知道，人之所以可以看到物体的形状，是因为光线射到了物体的表面，由于物体表面的差异，各部分反射到我们眼睛中的光线也有了相应的差异，从而看到了物体的形状.我们的眼睛越靠近物体表面，对其表面的差异也就看得越清楚.扫描隧道显微镜利用探针在非常接近样品表面时，来回逐行“看”样品表面，并通过电脑处理将其所“看”到的样品表面原子分布情况显示在屏幕上.只不过探针“看”样品表面的过程并不是通过样品表面反射的光线，而是像科学家形象地比喻为“盲人摸象”那样，其中探针像盲人的手指，由于这个“手指”特别的小，当其非常接近样品表面时，就会“感觉到”样品表面原子这样的“小东西”的凹凸情况，当探针在样品表面来回运动（扫描）时，原子凸起处，离探针的距离就小；原子凹陷处，离探针的距离就大.这一距离的变化，就会引起探针中电流的变化，它被电脑记录下来，再经过放大和处理，从而使人们看到了原子的真面目.

3 扫描隧道显微镜基本组成及结构

STM包括隧道针尖、三维扫描控制器、减振系统、头部探测系统、电子学控制系统和计算机软件系统四部分，各部分的关系如下图5所示.

从上面的说明可以看出，扫描隧道显微镜最为关键的乃是“探针”，所以探针的制作非常重要，探针的针尖越小，对样品表面的凹凸情况描述得就越细致，分辨率越高.扫描隧道显微镜探针的一种其原材料就是纯度很高的铂金，毫不夸张地讲，这是中学阶段耗材最贵的实验了，因此探针的制作要非常地细心和耐心，同时也需要对科学执着地精神.

4 纳米科技在我国中学教育阶段的发展

发达国家政府纷纷提出优先发展纳米科技的国家战略，制定专门计划，加大投入，推动纳米科技的发展，抢占21世纪的科技战略制高点.纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑

战，也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇.

在1988年，白春礼成功研制了国内第一台计算机控制、有数据分析和图像处理系统的扫描隧道显微镜，这一科学成就使我国在表面研究领域一步跨入了“原子世界”.1993年初，白春礼和超导专家赵忠贤合作推出了我国第一台低温STM，对于研究低温下材料的表面特性有重要的意义.

中学纳米创新实验室受到了教育部的极大关注，教育部教育装备研究与发展中心将其作为教育部“十二五”规划重点课题之子课题进行研究与开发，先后在国内数个中学成功试点，比如苏州独墅湖学校是国内第一所纳米科技特色学校，北京第八中学是第一所举办纳米夏令营的学校，目前教育部努力向全国推广.

STM的发展仅有数十年的历史，它使人们对微观世界的探索和研究大大前进了一步，并且作为桥梁使宏观世界和微观世界的距离大大缩短.纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，它将引起21世纪又一次产业革命.希望各广大青少年朋友努力学习科学文化知识，促进我国在这一领域率先在国际上取得突破性进展，为人类发展做出更大贡献！