掃描隧道顯微鏡的誕生是電子顯微技術(shù)的一個重要里程碑，標(biāo)志著人類在微觀領(lǐng)域的認(rèn)識方面又跨越了一個新的起點，對化學(xué)、物理、生命科學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科的許多領(lǐng)域都產(chǎn)生了重大的影響。

掃描隧道顯微鏡的發(fā)展歷史

　　17世紀(jì)，世界上diyi臺光學(xué)顯微鏡發(fā)明成功，并且利用這臺顯微鏡，人類首次觀察到了細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，從而開始了人類使用儀器研究微觀世界的新時代。但是，由于受光波長的限制，光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到10^-6m~10^-7m。20世紀(jì)初，利用電子透鏡使電子束聚焦的原理，成功的發(fā)明了電子顯微鏡，它的分辨率達(dá)到了10^-8m。有了電子顯微鏡，比細(xì)胞小得多的病毒也露出了原形，增強(qiáng)了人們觀察微觀世界的能力。

　　1982年，格爾德·賓寧(Binning)和海因里?！ち_雷(Rohrer)在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明了，世界上diyi臺具有原子分辨率的掃描隧道顯微鏡，利用針尖和表面間的隧道電流隨間距變化的性質(zhì)來探測表面的結(jié)構(gòu)，獲得了實空間的原子級分辨圖像。這一發(fā)明使顯微科學(xué)達(dá)到了一個新的境界，并對物理、化學(xué)、生物、材料等領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了巨大的推動作用。為此格爾德·賓寧和海因里?！ち_雷于1986年被授予諾貝爾物理獎。

掃描隧道顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀

　　1982年，國際上diyi臺掃描隧道顯微鏡誕生，而在1988年，白春禮成功研制了國內(nèi)diyi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diyi臺低溫掃描隧道顯微鏡，對于研究低溫下材料的表面特性有重要的意義。

　　由于掃描隧道顯微鏡具有分辨率高、需要樣品量小并可在溶液中成像等特點，所以在生物領(lǐng)域中倍受青睞。在研究生物分子的激活，蛋白質(zhì)與DNA的復(fù)合以及病毒和細(xì)胞的生物變化過程等方面，掃描隧道顯微鏡都有許多有價值性的工作。如ZG科學(xué)院上海原子核研究所與中科院上海細(xì)胞研究所合作，1989年4月用掃描隧道顯微鏡拍攝到天然魚精子DNA的圖像，同年8月又得到左手螺旋的Z-DNA圖像。1989年12月，他們與蘇聯(lián)科學(xué)院分子生物學(xué)研究所合作，在世界上首次得到平行雙鏈的DNA圖像，證實一種新型DNA構(gòu)型的存在。1990年，上海原子核研究所與上海生化所合作，首次獲得DNA復(fù)制過程的掃描隧道顯微鏡圖像，中科院化學(xué)所則首次獲得三鏈DNA圖像。

　　掃描隧道顯微鏡在表面吸附和實用材料的研究中占有特殊地位。掃描隧道顯微鏡可以清晰觀察到原子簇化合物和有機(jī)金屬化合物在不同晶體的吸附和擴(kuò)散;在實用材料的表面結(jié)構(gòu)研究中，包括高溫超導(dǎo)材料的表面原子排列和能譜的研究，金屬鹵化物的高分辨率表面結(jié)構(gòu)的研究，晶體生長動力學(xué)的研究等等，掃描隧道顯微鏡都具有不可代替的作用。

　　尤其值得一提的是，利用掃描隧道顯微鏡實現(xiàn)了室溫下單電子隧穿效應(yīng)。所謂電子隧穿就是讓電子“排好隊”，一個接著一個地通過介觀尺度的結(jié)構(gòu)，有人形象比喻就像門診大夫招喊就診的病人一樣。1994年，荷蘭菲利普實驗室的范·荷頓小組利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)構(gòu)成掃描隧道顯微鏡雙隧道結(jié)構(gòu)，在室溫下觀察到單電子隧穿現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)開辟了設(shè)計和制作各類單電子器件的廣闊前景:單電子晶體管、量子點旋轉(zhuǎn)門、單電子數(shù)字邏輯電路、存貯器等等;另外，用此效應(yīng)制成的超靈敏電流計，比現(xiàn)有儀器精度可提高1000倍。

　　縱觀掃描隧道顯微鏡領(lǐng)域，目前的研究工作早己由簡單的形貌觀測走向系統(tǒng)而深入的測量研究;由單純的測量走向材料在微觀尺度的加工。例如對基準(zhǔn)平面操縱原子的工作已達(dá)到很高水準(zhǔn)，能將單原子從表面拔出或安裝在表面位置，或者制作某種特殊微觀結(jié)構(gòu)等等。盡管掃描隧道顯微鏡問世的時間很短，但經(jīng)過各國科學(xué)家的努力，掃描隧道顯微鏡已得到了迅速的發(fā)展，在很多方面顯示出其獨特的優(yōu)點，被應(yīng)用于如微電子、生物等諸多領(lǐng)域中并推動了這些領(lǐng)域的發(fā)展。

　　目前，國際上很多國家對納米科技給予很大的重視，掃描隧道顯微鏡理論和技術(shù)也在日臻完善中，掃描隧道顯微鏡及其相關(guān)技術(shù)必將在人類認(rèn)識和改造自然尤其是微觀世界的進(jìn)程中發(fā)揮越來越大的作用。掃描隧道顯微鏡的發(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。納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個ZD，會是一次技術(shù)革命，掃描隧道顯微鏡將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。