海因里希·羅雷爾（瑞士物理學(xué)家，與格爾德·賓寧共同發(fā)明了掃描隧道顯微鏡）

海因里?！ち_雷爾（英語(yǔ)：Heinrich Rohrer，1933年6月6日出生于圣加倫），瑞士物理學(xué)家。 1981年與格爾德·賓寧共同發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，因此與格爾德·賓寧、恩斯特·魯斯卡（電子顯微鏡的發(fā)明者）共同獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

簡(jiǎn)介

海因里希·羅雷爾（德語(yǔ)：Heinrich Rohrer，1933年6月6日圣加侖－2013年5月16日沃勒勞），瑞士物理學(xué)家，1986年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

掃描隧道顯微鏡

掃描隧道顯微鏡（英語(yǔ)：scanning tunneling microscope，縮寫為STM），是一種利用量子隧穿效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。它于1981年由格爾德·賓寧及海因里希·羅雷爾在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室發(fā)明，兩位發(fā)明者因此與電子顯微鏡的發(fā)明者恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

掃描隧道顯微鏡技術(shù)是掃描探針顯微術(shù)的一種，基于對(duì)探針和表面之間的隧穿電流大小的探測(cè)，可以觀察表面上單原子級(jí)別的起伏。此外，掃描隧道顯微鏡在低溫下可以利用探針尖端精確操縱單個(gè)分子或原子，因此它不僅是重要的微納尺度測(cè)量工具，又是頗具潛力的微納加工工具。

掃描隧道顯微鏡概述

掃描隧道顯微鏡是一種利用量子隧穿效應(yīng)的非光學(xué)顯微鏡。

基本結(jié)構(gòu)

掃描隧道顯微鏡的測(cè)量干擾主要來(lái)源于機(jī)械震動(dòng)和電噪音，因此需要在有較高防震水平的防震臺(tái)上工作。

其機(jī)械部分的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于如何驅(qū)動(dòng)針尖或樣品在微納尺度范圍內(nèi)做精確運(yùn)動(dòng)，因此用到了壓電陶瓷管。

其電子控制部分的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在于如何將微納量級(jí)的隧穿電流轉(zhuǎn)化為可以處理的信號(hào)，因此用到了前級(jí)放大器。

工作方式及理論基礎(chǔ)

針尖受壓電陶瓷管驅(qū)動(dòng)，在x和y方向上進(jìn)行掃描，而z方向上的運(yùn)動(dòng)可分為恒流式和恒高式。

在恒流模式下，壓電陶瓷管受反饋電路控制，保持針尖和樣品之間的隧穿電流保持恒定的設(shè)定電流值。為了保持隧穿電流恒定，壓電陶瓷管需要根據(jù)表面起伏在z方向上下運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)軌跡反映了表面的起伏情況。以z的值在xy空間上做二維圖，就得到了表面的高度起伏像。

在恒高模式下，壓電陶瓷管在z方向上保持恒定。以探測(cè)到的隧穿電流的值在xy空間上做二維圖，就得到了隧穿電流變化像。

DIY掃描隧道顯微鏡

學(xué)習(xí)一項(xiàng)儀器技術(shù)的最好方法莫過(guò)于自己搭建一臺(tái)這樣的儀器。有一些STM技術(shù)愛(ài)好者在網(wǎng)上發(fā)表了掃描隧道顯微鏡的DIY教程，為這一技術(shù)的推廣起到了積極作用。

應(yīng)用

掃描隧道顯微鏡目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榛A(chǔ)科學(xué)研究，包括模型催化研究、超導(dǎo)、單分子(原子)磁體、納米器件學(xué)等。在工業(yè)領(lǐng)域的主要應(yīng)用為半導(dǎo)體表面形貌測(cè)量，例如線寬測(cè)量。