科学的科普（9）突破极限（4）摸到最小

张武昌 2024年7月14日星期日

上一讲介绍了光学（透镜反射镜）显微镜看小已经到了看到原子的极限能力，这一讲介绍触觉成像看到原子的事。

图像除了看到之外，还能摸到，例如盲文。通过触摸感知凸点的排列方式就可以形成图案，如果图案足够细致，就可以成为图像。

那么通过触觉能否成像原子呢？科学家一直有这个梦想。

触觉成像原子也是看到很小的物体，所以这些仪器也被称为显微镜，由于其原理不同于光学（透镜反射镜）显微镜， 在严谨的表达中一般加上扫描二字作为区别。扫描就是像用扫帚扫地一样描画一个一个的点。

根据扫帚的不同，扫描显微镜分为扫描光学显微镜和扫描探针显微镜两大类。

扫描光学显微镜

扫描光学显微镜的扫帚是X光和电子束。

扫描式X射线显微镜

在扫描式X 射线显微镜中，入射光束一般被聚焦得很细小，如几十个纳米，所以物体上只有一个很小的区域被光照射，探测器上只得到这一个点的放大图像，相对移动物体与光的位置，可逐点得到物体上各点的像，这些点像被逐点输入计算机，经处理后在显示器上显示出完整的图像。这种显微镜使用较少。

 扫描电子显微镜SEM

1932年，Knoll 提出了SEM可成像放大的概念，柏林工业大学压力实验室的年轻研究员卢斯卡（Ernst Ruska）和克诺尔（Max Knoll）对阴极射线示波器做了一些改进，成功得到放大几倍后的铜网图像，确立了电子显微法，并在1935年制成了极其原始的模型。

电子显微镜的作用原理与光学显微镜完全不同，光学显微镜利用的是光在被测物体上发生的反射，然后通过透镜收集直接进入人的眼睛。电子显微镜则使用电子枪向被测物体发射高能（最高可达30keV）电子束，经会聚透镜、物镜缩小和聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。

由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。二次电子收集极将各个方向发射的二级电子汇集起来，通过信号转换在荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子像，能够观察试样表面3-6纳米左右的细节，距离要看到原子所需要的200万到300万倍，还有最后一段最艰难的路要走。

扫描探针显微镜（scanning probe microscopy, SPM）

扫描探针显微镜利用一根尖锐的原子级探针在材料表面移动，通过监测探针与材料之间由于量子力学原理产生的电流、力等信号“摸”出材料的表面形态。扫描探针显微镜主要包括扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM, 1986年诺贝尔物理奖）和原子力显微镜（atomic force microscopy, AFM, 2016年卡夫里奖），由此得出的变型有静电力显微镜、磁力显微镜、扫描粒子电导显微镜、扫描电化学显微镜、qPlus型光耦合扫描探针显微镜。

扫描隧道显微镜 STM

1981年，IBM的苏黎世实验室中，格尔德·宾尼希（Gerd Binnig）及海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）两位科学家根据量子隧穿效应，发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM），他们也因此获得了1986年诺贝尔物理学奖。

由于电子的隧道效应，金属中的电子并不是完全局限于严格的边界之内，也就是说，电子密度不会在表面处突然骤降为零，而是会在表面之外指数性衰减，衰减的长度量级大约为1纳米。如果两块金属靠的很近，近到了1纳米以下，他们表面的电子云就会发生重叠，也就是说两块金属的电子之间发生了相互作用。如果在这两块金属之间加一个电压，就会探测到一个微小的隧穿电流，其大小和两块金属之间的距离有关，这就是扫描隧道显微镜的基本原理。

 与电子显微镜不同，扫描隧道显微镜跟我们见过的老式唱片机有着非常相似的工作原理。一根极细的探针（针尖仅仅由一个原子组成）

慢慢摸过被测物体，当针尖带有一个电荷时，一股电流从探针流出，通过整个材料。

当探针通过单个的原子时，流过探针的电流量便有所变化，这些变化被记录下来形成极其细致的原子的轮廓，从而逐个观测原子。并且分辨率达到0.1纳米，也就是1 Å。

移动针尖的位置就可以探测到金属的表面信息（表面的起伏、表面电子态密度等等）

硅表面的原子图像

由于扫描隧道显微镜不存在传统光学显微镜意义上的“放大倍数”，但是用人眼分辨率0.1毫米换算得出的放大倍数远远超过300万倍。

扫描隧道显微镜不仅可以观察单个原子和原子的排列，还可以在低温下（4K）用探针精密操作原子。1990年，美国IBM公司的两位科学家就发现，在用扫描隧道显微镜观察金属表面氙原子时，靠近探针的氙原子也会跟随探针作同样的移动。他们根据这一现象改变原子的位置，创造出了由几十个氙原子排列成的IBM字母。

1993年，一个美国科研团队第一次向世界展示他们的量子围栏——由放置于铜表面的48个铁原子组成的圆圈，围栏内有驻波。

原子力显微镜 AFM

虽然扫描隧道显微镜可以有效地看到单个原子并操纵它们，但是只能用来观察导体，半导体的效果就很差了，而绝缘体则完全无法观测。

为了弥补这一缺陷，发明了扫描隧道显微镜的格尔德·宾尼希再接再厉，在1985年发明了原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）。原子力显微镜的原理与扫描隧道显微镜大致相同，都是通过探针和原子表面发生相互作用。区别在于，原子力显微镜采用了原子间的相互作用（如范德华力）作为信号进行收集，而非隧道电流，这就使得原子力显微镜可以观察诸如陶瓷的绝缘体。

将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。

原子力显微镜结合其他技术发展了很多变型，如2021年的定位原子力显微镜Localization atomic force microscopy（LAFM），2024年的低温版量子钻石原子力显微镜。

结语

这些显微镜也是只到原子水平，原子内部的情形就摸不到了。

原子是显微镜的极限，原子内部的研究需要新的仪器。且看下回分解。