1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)-電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予德國(guó)柏林弗利茲-哈伯學(xué)院（Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特魯斯卡（ErnstRuska，1906-1988），以表彰他在電光學(xué)領(lǐng)域做了基礎(chǔ)性工作，并設(shè)計(jì)了第一架電子顯微鏡；另一半授予瑞士魯希利康（Rschlikon）IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的德國(guó)物理學(xué)家賓尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理學(xué)家羅雷爾（

2、Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他們?cè)O(shè)計(jì)出了掃描隧道顯微鏡。研制電子顯微鏡的歷史可以追溯到19世紀(jì)末。人們?cè)谘芯筷帢O射線的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)陰極射線管的管壁往往會(huì)出現(xiàn)陽(yáng)極的陰影。1897年布勞恩設(shè)計(jì)并制成了最初的示波管。這就為電子顯微鏡的誕生準(zhǔn)備了技術(shù)條件。1926年布什（H.Busch）發(fā)表了有關(guān)磁聚焦的論文，指出電子束通過(guò)軸對(duì)稱電磁場(chǎng)時(shí)可以聚焦，如同光線通過(guò)透鏡時(shí)可以聚焦一樣，因此可以利用電子成像。這為電子顯微鏡作了理論上的準(zhǔn)備。限制光學(xué)顯微鏡分辨率的主要因素是光的波長(zhǎng)。由于電子束波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)短得多，可以預(yù)期運(yùn)用電子束成像的電子顯微鏡可以得到比光學(xué)顯微鏡高得多的分辨率。恩斯特

3、魯斯卡1906年12月25日生于德國(guó)巴登市海德堡。他的父親是柏林大學(xué)歷史學(xué)教授.1925年-1927年，恩斯特上中學(xué)時(shí)就喜歡工程.井在慕尼黑兩家公司學(xué)習(xí)電機(jī)工程。后隨父到了柏林，1928年夏進(jìn)入柏林恰洛廷堡的柏林技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)，在大學(xué)期間參加過(guò)高壓實(shí)驗(yàn)室工作，從事陰極射線示波管的研究。從1929年開始，魯斯卡在組長(zhǎng)克諾爾（M.Knoll）的指導(dǎo)下進(jìn)行電子透鏡實(shí)驗(yàn)。這對(duì)魯斯卡的成長(zhǎng)很有益處。1928年-1929年期間，魯斯卡在參與示波管技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了利用磁透鏡和靜電透鏡使電子束聚焦成像的實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)在電子束照射下直徑為0.3mm的光闌可以產(chǎn)生低倍（1.3倍）的像，并驗(yàn)證了透鏡成像公

4、式。這就為創(chuàng)制電子顯微鏡奠定了基礎(chǔ)。1931年，克諾爾和魯斯卡開始研制電子顯微鏡，他們用實(shí)驗(yàn)證明了為要獲得同樣的焦距，使用包鐵殼的線圈，其安匝數(shù)要比不包鐵殼的線圈小得多。1931年4月6月，他們采用二級(jí)磁透鏡放大的電子顯微鏡獲得了16倍的放大率。通過(guò)計(jì)算他們認(rèn)識(shí)到，根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子波長(zhǎng)比光波波長(zhǎng)短5個(gè)數(shù)量級(jí)，電子顯微鏡可能實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。他們預(yù)測(cè)未來(lái)的電子顯微鏡，當(dāng)加速電壓為75 kV，孔徑角為 210-2弧度時(shí)，衍射限制的分辨率將是 0.22 nm.1932年-1933年間，魯斯卡和合作者波里斯（Borries）進(jìn)一步研制了全金屬鏡體的電子顯微鏡，采用包有鐵殼的磁線圈作為磁透

5、鏡.為了使磁場(chǎng)更加集中，他們?cè)诖啪€圈鐵殼空氣間隙中鑲嵌非磁導(dǎo)體銅環(huán)，并將鐵碰上、下殼體內(nèi)腔的端部做成漏斗形（磁極靴），使極靴孔徑和間隙均減小到2 mm，而且焦距減小到 3 mm。1932年3月，波里斯和魯斯卡將此項(xiàng)磁透鏡成果申請(qǐng)了德國(guó)專利。1933年，魯斯卡在加速電壓75 kV下，運(yùn)用焦距為3 mm的磁透鏡獲得 12 000倍放大率，還安裝了聚光鏡可以在高放大率下調(diào)節(jié)電子束亮度。他拍攝了分辨率優(yōu)于光學(xué)顯微鏡的鋁箔和棉絲的照片，并試驗(yàn)采用薄試樣使電子束透射從而形成電子放大像。1934年魯斯卡以題為“電子顯微鏡的磁物鏡”學(xué)位論文獲得柏林技術(shù)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。1934年-1936年，魯斯卡繼續(xù)進(jìn)行改

6、進(jìn)電子顯微鏡的實(shí)驗(yàn)研究。采用聚光鏡以產(chǎn)生高電流密度電子束來(lái)實(shí)現(xiàn)高倍放大率成像；采用物鏡和投影鏡二級(jí)放大成像系統(tǒng)?？墒?，當(dāng)時(shí)他們的發(fā)明并未立即獲得學(xué)術(shù)界和有關(guān)部門承認(rèn)，魯斯卡和波里斯努力說(shuō)服人們，使他們相信可能研制出性能超過(guò)光學(xué)顯微鏡的電子顯微鏡。他們多次到政府和工業(yè)研究部門以爭(zhēng)取財(cái)政支持。經(jīng)過(guò)三年的奔走，1937年春西門子-哈斯克公司終于同意出資建立電子光學(xué)和電子顯微學(xué)實(shí)驗(yàn)室。許多青年學(xué)者紛紛前來(lái)參加研究工作。恩斯特魯斯卡從1937年開始著手研制商品電子顯微鏡，1938年制成兩臺(tái)電子顯微鏡，帶有聚光鏡，配以具有極靴的物鏡及投影鏡，備有更換樣品、底片的裝置，獲得 30 000倍放大率的圖像。恩斯

7、特魯斯卡的弟弟哈爾墨特魯斯卡（Helmut Ruska）和其他醫(yī)學(xué)家立刻用來(lái)研究噬菌體等，獲得很大的成功。1939年西門子公司制造的第一臺(tái)商品電子顯微鏡終于問(wèn)世。同年，電子顯微鏡首次在萊比錫國(guó)際博覽會(huì)上展出，引起廣泛注意。1940年，在恩斯特魯斯卡提議下，西門子-哈斯克公司將上述實(shí)驗(yàn)室發(fā)展為第一個(gè)電子顯微鏡開放實(shí)驗(yàn)室，由哈爾墨特魯斯卡任主任。實(shí)驗(yàn)室裝備了四臺(tái)電子顯微鏡，接納各國(guó)學(xué)者前來(lái)做研究工作，推動(dòng)了電子顯微鏡在金屬、生物、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。在魯斯卡工作的影響下，歐洲各國(guó)科學(xué)家先后也開始了電子顯微鏡的研究和制造工作。恩斯特魯斯卡及其合作者幾十年來(lái)孜孜不倦地為改進(jìn)電子顯微鏡辛勤工作，

8、為現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。電子顯微鏡為人們觀察物質(zhì)微觀世界開辟了新的途徑。在50年代中期制成的中、高分辨率電子顯微鏡，能夠觀察晶體缺陷，促進(jìn)了固體物理、金屬物理和材料科學(xué)的發(fā)展。在70年代出現(xiàn)的超高分辨率電子顯微鏡使人們能夠直接觀察原子。這對(duì)于固體物理、固體化學(xué)、固體電子學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)礦物學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。恩斯特魯斯卡在1986年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)后一年多于1988年5月27日在德國(guó)柏林去世，他的一生完全貢獻(xiàn)給了電子顯微鏡事業(yè)。繼他之后，不僅有高壓電鏡和掃描電鏡問(wèn)世，而且還出現(xiàn)了另一種原理完全不同的顯微鏡，這就是1982年發(fā)明的掃描隧道顯微鏡（簡(jiǎn)稱STM）。掃描隧

9、道顯微鏡是通向微觀世界的又一個(gè)有力武器。掃描隧道顯微鏡之所以得到發(fā)明并且迅速發(fā)展，是由于微電子學(xué)以極快的速度發(fā)展的緣故。作為電子計(jì)算機(jī)核心部份的硅集成塊的集成度要求愈來(lái)愈高，其尺寸愈來(lái)愈小，所帶來(lái)的問(wèn)題是集成塊表面積與體積之比的急劇增大，此時(shí)在集成塊的工作狀態(tài)中，以及它與其它邏輯元件的相互作用中，表面狀態(tài)變得愈來(lái)愈重要。除此以外，在物理、化學(xué)及生物過(guò)程中，真實(shí)表面狀態(tài)的研究也有其重要意義。透射電鏡雖有很高的分辨率，但它所獲得的圖像實(shí)際上是很薄樣品的內(nèi)部訊息，用于表面微觀觀察及分析幾乎是不可能的。掃描電鏡的發(fā)明，雖然給表面觀察及分析提供了有力的工具，但由于高能電子束對(duì)樣品有一定穿透深度，所得的信

10、息也不能反映“真實(shí)”表面狀態(tài)。針對(duì)這一問(wèn)題，IBM在瑞士蘇黎士研究所的賓尼希與羅雷爾于1982年發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。在不到5年的時(shí)間內(nèi)，分辨率就達(dá)到了原子水平。隧道顯微鏡的原理是巧妙地利用了物理學(xué)上的隧道效應(yīng)及隧道電流。大家知道，金屬體內(nèi)存在大量“自由”電子，這些“自由”電子在金屬體內(nèi)的能量分布集中于費(fèi)米能級(jí)附近，而在金屬邊界上則存在一個(gè)能量比費(fèi)米能級(jí)高的勢(shì)壘。因此，從經(jīng)典物理學(xué)來(lái)看，在金屬內(nèi)的“自由”電子，只有能量高于邊界勢(shì)壘的那些電子才有可能從金屬內(nèi)部逸出到外部。但根據(jù)量子力學(xué)原理，金屬中的自由電子還具有波動(dòng)性，這種電子波在向金屬邊界傳播而遇到表面勢(shì)壘時(shí)，會(huì)有一部分透射。也就是說(shuō)，會(huì)有部

11、分能量低于表面勢(shì)壘的電子能夠穿透金屬表面勢(shì)壘，形成金屬表面上的“電子云”。這種效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。所以，當(dāng)兩種金屬靠得很近時(shí)（幾納米以下），兩種金屬的電子云將互相滲透。當(dāng)加上適當(dāng)?shù)碾妷簳r(shí)，即使兩種金屬并未真正接觸，也會(huì)有電流由一種金屬流向另一種金屬，這種電流稱為隧道電流。1981年賓尼希等人用鉑作了一個(gè)電極，用腐蝕得很尖的鎢針作另一電極，在兩電極間小于2nm的距離以內(nèi)，改變鎢針對(duì)鉑片的距離，測(cè)得隧道電流隨這距離的變化。測(cè)量結(jié)果表明，隧道電流和隧道電阻隨隧道間隙的變化非常敏感，隧道間隙即使只發(fā)生0.01nm的變化，也能引起隧道電流的顯著變化。對(duì)于非常光滑的樣品平面，如新解理的晶體表面，從微觀來(lái)看，

12、是由原子按一定規(guī)律排列起來(lái)的。如果用一根很尖的探針（如鎢針）在距離該表面上十分之幾納米的高度上平行于表面在x，y方向掃描，由于每個(gè)原子有一定大小，因而在掃描過(guò)程中隧道間隙就會(huì)隨x，y的不同而不同，流過(guò)探針的隧道電流也不同。即使是百分之幾納米的高度變化也能在隧道電流上反映出來(lái)。利用一臺(tái)與掃描探針同步的記錄儀，將隧道電流的變化記錄下來(lái)，即可得到分辨本領(lǐng)為百分之幾納米的STM圖像。賓尼希1947年7月20日出生于德國(guó)的法蘭克福。其時(shí)正值第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束不久，他和小伙伴們常常在廢墟中做游戲，當(dāng)時(shí)他并不懂得為什么建筑物會(huì)成那個(gè)樣子。10歲時(shí)，盡管他還不太了解物理但已決心要當(dāng)一名物理學(xué)家。等到在學(xué)校里真

13、正學(xué)到物理時(shí)，他大概有點(diǎn)懷疑這一選擇了。少年時(shí)代的賓尼希是一個(gè)音樂(lè)愛(ài)好者，母親很早就教他古典音樂(lè)。15歲時(shí)拉小提琴，參加過(guò)學(xué)校的管弦樂(lè)隊(duì)。十幾年后，當(dāng)賓尼希開始做畢業(yè)論文時(shí)，才真正感到物理的魅力，認(rèn)識(shí)到做物理工作比學(xué)習(xí)物理更有樂(lè)趣。他深切地體會(huì)到，“做”是“學(xué)”的正確途徑。1978年賓尼希在法蘭克福大學(xué)獲博士學(xué)位。他在做博士論文時(shí)參加馬廷森（Martienssen）教授的研究組，指導(dǎo)教師是洪尼希（Hoenig）博士。賓尼希對(duì)馬廷森教授非常佩服，這位教授很善于抓住和表述科學(xué)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。洪尼希博士指導(dǎo)他做實(shí)驗(yàn)，非常耐心。在他的妻子外格勒（L.Wagler）的勸說(shuō)下，賓尼希在完成博士論文后，接受了I

14、BM公司蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的聘任，參加那里的一個(gè)物理小組。這是非常重要的決定，因?yàn)樵谀抢镔e尼希遇到了羅雷爾。羅雷爾1933年6月6日出生于瑞士的布希（Buchs），1949年全家前往蘇黎世。他對(duì)物理學(xué)的傾倒完全屬于偶然，因?yàn)樗瓉?lái)喜歡古典語(yǔ)文和自然，只是在向瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)注冊(cè)時(shí)才決定主修物理。在學(xué)校的四年中受教于泡利、舒勒等著名教授。1955年開始作博士論文，很幸運(yùn)得到了奧爾森（J.L.Olsen）教授的指導(dǎo)，博士論文題目涉及測(cè)量超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中長(zhǎng)度的變化。而奧爾森以測(cè)量楊氏模量的不連續(xù)性著稱。羅雷爾在實(shí)驗(yàn)中要用到非常靈敏的機(jī)械傳感器，往往要在夜深人靜的時(shí)候工作。四年的研究生生活使羅雷爾得到了很