SPM的传奇--研究与认知如何再向前一步

鲍海飞 2012-7-13

研究与认知向前一步怎么是那么的难？真的很难！当你只有走过去回过头来再看时，微笑着叹一口气的时候，你才明白走过的路原来是这样。从八十年代开始到现在，扫描探针显微镜(SPM,scanning probe microscope)系列产品的研发过程是一个传奇，先是以扫描隧道显微镜(STM,scanning tunneling microscope)开始，到衍生出各种类型的微纳米尺度的显微镜，比如：热扫描显微镜(SThM),电容式扫描显微镜，以及近场光扫描显微镜(SNOM),甚至液体中的扫描显微镜等等，从一种设备到另一种设备，让人感到眼花缭乱、目不暇接。SPM相关设备在微米纳米技术领域中发挥着巨大的作用，如在高密度信息存储和生物领域的研究，微观表面吸附、粘附研究，微观原子表面原子的操纵、重构等现象的研究，微摩擦和原子转移，微结构化学元素的识别与检测分析，微力学微光学等特性研究中。白春礼院士将SPM视作微观研究的‘眼’和微观原子操纵的‘手’。

围绕着SPM技术的研发到产品化过程的确是一个传奇，让人惊叹，SPM的发展居然这样迅猛。SPM是研究、应用到市场化中最典型的可持续发展的例子。对我们有诸多启发和启示。

1，突破物理原理的障碍：以往的扫描电镜或透射电镜是利用电子束辐射到导电的样品表面上，从而进行样品表面形貌的观察，以确定晶体结构特性，进行表面的微分析。基于扫描探针的显微镜是利用一个导电的或非导电的针尖为特征，针尖能够在近距离表面，甚至近原子或直接与表面原子接触进行分析。从非接触扫描探针显微镜发展到表面接触的原子力显微镜、轻敲式的原子力显微镜、摩擦力显微镜，热容显微镜、以及扫描近场光学显微镜(SNOM)等，让我们看到各种类型结构的基于探针的扫描显微镜相继出现，每一种设备和仪器都是是基于不同的物理原理，但总的构思是相同的。扫描探针显微镜是利用导电探针与导体表面的量子隧道效应；原子力显微镜是利用悬臂梁与样品表面接触，通过悬臂梁背面的光学反馈进而实施图像的扫描；轻敲模式则是利用探针在高速振动下与表面原子‘似接触非接触’模式下工作等。由此，如何开阔和拓展思路将一种合适的原理或概念应用到所需要的场合中应用确实值得研究和深思，这就需要大胆探索和尝试。

2，突破数学模型的障碍：常规的牛顿力学以及电磁学规律等都是涉及到宏观大尺度物体之间的相互作用，比如，是体-体之间、面-面之间的相互接触和作用，而现在是点对点式的纳米、原子之间的接触，采用的又是不同材料，不同微针尖结构，因此，以前连续的数学模型就已经不再适用。而现在更需要的可能是离散的、量化的数学模型。由此，确定微纳米尺度上相互作用的数量定量化。

另一个是服务于物理模型的数学控制模型，即实施微米纳米精细准确的行程控制，这就需要一套完整和严密的数学控制。SPM所涉及到的各种类型控制工作模式都基本相同，均采用压电陶瓷扫描管的横向和纵向扫描工作模式。采用不同的算法控制将影响扫描图像的质量，进而影响分析结果的精度，因此只有通过实验分析，获取控制行为规律，解析相互作用的规律，进而完善系统的控制。

基于物理的数学模型和基于控制的数学模型对提取准确的信息进行分析和研究具有重要意义。举个例子，以前很多涉及到表面物理的理论，现在就可以通过SPM的原子分子的识别从而判定前人的理论是否正确，从而给出新的结论和认识，如果发现错误，则可以提出新的理论。

3，突破走向工程化的障碍：对于工程化来说，即要突破物理原理障碍、又要突破关键技术障碍，同时还要面向市场和开拓市场。对于科研人员来说，这一步是最困难的。尤其是，我们还不擅长和熟悉如何将研发转向产品，如何从实验室走向市场，这是一个很长的过程。要明白自己的研发是否有市场前景，是否是过得硬的产品，研究过程如何向生产过程转化，是否有严格的质量体系控制，是否要实施专利的转让等问题。这在目前中国现状下依然是一个大问题。如何从实验室走向市场，走向产品化确确实实是一个艰巨的过程。

4，突破思想的禁锢：最艰难的往往是走不出这一步。有时候，理解和运用一个原理并不难，难的是我们走不成自己的思维定势。固步自封自然是有，不思进取亦是有，无能为力亦是明摆着。有时候，是心有余而力不足；有时候是心比天高，但结果却是命比纸薄。如何利用它山之石可以攻玉，如何站在巨人的肩膀上看得更远、走得更远？只有突破了思想的禁锢，才能一步一步走向更广阔的天地。

的确，SPM是从研究、应用到市场化过程中最典型的可持续发展的例子，有许多东西值得我们学习、研究和借鉴。

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