上海光学仪器厂

穿隧效应的应用-扫描穿隧显微镜

1924年“德布罗依”提出“物质波”的概念，并于1927年“戴维森”及革末以54eV之电子束垂直撞击镍晶体表面，得到如同光波的干涉与绕射现象，证实电子波动性，并荣获1937年诺贝尔物理奖。现今都将这些物质波称为“德布罗依波”，德布罗依波给予物质与光的双重性，建立波动力学的理论基础。因为粒子具有波动性，如电子等微小粒子有机会穿过本来不可能通过的能量障碍，称为：“穿隧效应”。穿隧的的机率和距离有关；距离越小，穿隧的机率越大。

扫描穿隧显微镜：是一种利用量子力学中穿隧效应探测物质表面结构的仪器，1982年由“宾尼”和“罗雷尔”所发明，并以此荣获1986年诺贝尔物理奖。其主要是利用一根非常细的钨或铂铱合金为探针，而针尖在物体表面扫描时，针尖通入高压电针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的形貌。（图一、二）

图一：扫描穿隧显微镜示意图

图二：扫描穿隧显微镜下的石墨

由于样品和探针距离极小，只有数奈米，探针针尖原子的波函数和样品表面原子的波函数重叠，当探针和样品间有电压存在，两者间便会产生穿隧电流。穿隧电流对针尖的与样品的距离非常敏感，成数量级变化，即对垂直方向的解析度极佳；至于横向的解析度则受限于探针针尖的大小。是以扫描穿隧显微镜的解析度为奈米级，其可克服普通光学显微镜之光波绕射影响，得以辨别远小于可见光波波长的物体。

1990年IBM科学家在绝对温度4度下，利用穿隧电流增加时，针尖将能推动物体表面的原子的技术，将37个氙原子制造出世界上最小字的“IBM”（图三）；而2000年英国牛津大学物理学家John B. Pethica 与同事，在室温下使用扫描式电子穿隧显微镜.，以快速震动针尖达数个原子宽度，再以一系列的撞击移动个别的原子到预定的位置上，且发现这效应与针尖高度无关只与穿遂电流大小有关，推测此原子是因电流加热而移动，此成果将对奈米技术带来重要的进展。

图三
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