1986年諾貝爾物理學(xué)獎-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)獎電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡1986年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予德國柏林弗利茲-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蘇黎世研究實驗室的德國物理學(xué)家賓尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理學(xué)家羅雷爾（

2、Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他們設(shè)計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世紀末。人們在研究陰極射線的過程中發(fā)現(xiàn)陰極射線管的管壁往往會出現(xiàn)陽極的陰影。1897年布勞恩設(shè)計并制成了最初的示波管。這就為電子顯微鏡的誕生準備了技術(shù)條件。1926年布什（H.Busch）發(fā)表了有關(guān)磁聚焦的論文，指出電子束通過軸對稱電磁場時可以聚焦，如同光線通過透鏡時可以聚焦一樣，因此可以利用電子成像。這為電子顯微鏡作了理論上的準備。限制光學(xué)顯微鏡分辨率的主要因素是光的波長。由于電子束波長比光波波長短得多，可以預(yù)期運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)時就喜歡工程.井在慕尼黑兩家公司學(xué)習(xí)電機工程。后隨父到了柏林，1928年夏進入柏林恰洛廷堡的柏林技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí)，在大學(xué)期間參加過高壓實驗室工作，從事陰極射線示波管的研究。從1929年開始，魯斯卡在組長克諾爾（M.Knoll）的指導(dǎo)下進行電子透鏡實驗。這對魯斯卡的成長很有益處。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，進行了利用磁透鏡和靜電透鏡使電子束聚焦成像的實驗研究，證實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，他們用實驗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，他們采用二級磁透鏡放大的電子顯微鏡獲得了16倍的放大率。通過計算他們認識到，根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子波長比光波波長短5個數(shù)量級，電子顯微鏡可能實現(xiàn)更高的分辨率。他們預(yù)測未來的電子顯微鏡，當加速電壓為75 kV，孔徑角為 210-2弧度時，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.為了使磁場更加集中，他們在磁線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磁透鏡成果申請了德國專利。1933年，魯斯卡在加速電壓75 kV下，運用焦距為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)進行改

6、進電子顯微鏡的實驗研究。采用聚光鏡以產(chǎn)生高電流密度電子束來實現(xiàn)高倍放大率成像；采用物鏡和投影鏡二級放大成像系統(tǒng)?？墒?，當時他們的發(fā)明并未立即獲得學(xué)術(shù)界和有關(guān)部門承認，魯斯卡和波里斯努力說服人們，使他們相信可能研制出性能超過光學(xué)顯微鏡的電子顯微鏡。他們多次到政府和工業(yè)研究部門以爭取財政支持。經(jīng)過三年的奔走，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)實驗室。許多青年學(xué)者紛紛前來參加研究工作。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商品電子顯微鏡終于問世。同年，電子顯微鏡首次在萊比錫國際博覽會上展出，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驗室發(fā)展為第一個電子顯微鏡開放實驗室，由哈爾墨特魯斯卡任主任。實驗室裝備了四臺電子顯微鏡，接納各國學(xué)者前來做研究工作，推動了電子顯微鏡在金屬、生物、醫(yī)學(xué)等各個領(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孜孜不倦地為改進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。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)展起了巨大的推動作用。恩斯特魯斯卡在1986年獲諾貝爾物理學(xué)獎后一年多于1988年5月27日在德國柏林去世，他的一生完全貢獻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（簡稱STM）。掃描隧

9、道顯微鏡是通向微觀世界的又一個有力武器。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。作為電子計算機核心部份的硅集成塊的集成度要求愈來愈高，其尺寸愈來愈小，所帶來的問題是集成塊表面積與體積之比的急劇增大，此時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)變得愈來愈重要。除此以外，在物理、化學(xué)及生物過程中，真實表面狀態(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樣品有一定穿透深度，所得的信

10、息也不能反映“真實”表面狀態(tài)。針對這一問題，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年的時間內(nèi)，分辨率就達到了原子水平。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米能級附近，而在金屬邊界上則存在一個能量比費米能級高的勢壘。因此，從經(jīng)典物理學(xué)來看，在金屬內(nèi)的“自由”電子，只有能量高于邊界勢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性，這種電子波在向金屬邊界傳播而遇到表面勢壘時，會有一部分透射。也就是說，會有部

11、分能量低于表面勢壘的電子能夠穿透金屬表面勢壘，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，當兩種金屬靠得很近時（幾納米以下），兩種金屬的電子云將互相滲透。當加上適當?shù)碾妷簳r，即使兩種金屬并未真正接觸，也會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)，改變鎢針對鉑片的距離，測得隧道電流隨這距離的變化。測量結(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。對于非常光滑的樣品平面，如新解理的晶體表面，從微觀來看，

12、是由原子按一定規(guī)律排列起來的。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，由于每個原子有一定大小，因而在掃描過程中隧道間隙就會隨x，y的不同而不同，流過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。利用一臺與掃描探針同步的記錄儀，將隧道電流的變化記錄下來，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日出生于德國的法蘭克福。其時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，當時他并不懂得為什么建筑物會成那個樣子。10歲時，盡管他還不太了解物理但已決心要當一名物理學(xué)家。等到在學(xué)校里真

13、正學(xué)到物理時，他大概有點懷疑這一選擇了。少年時代的賓尼希是一個音樂愛好者，母親很早就教他古典音樂。15歲時拉小提琴，參加過學(xué)校的管弦樂隊。十幾年后，當賓尼希開始做畢業(yè)論文時，才真正感到物理的魅力，認識到做物理工作比學(xué)習(xí)物理更有樂趣。他深切地體會到，“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)問題的實質(zhì)。洪尼希博士指導(dǎo)他做實驗，非常耐心。在他的妻子外格勒（L.Wagler）的勸說下，賓尼希在完成博士論文后，接受了I

14、BM公司蘇黎世研究實驗室的聘任，參加那里的一個物理小組。這是非常重要的決定，因為在那里賓尼希遇到了羅雷爾。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。他對物理學(xué)的傾倒完全屬于偶然，因為他原來喜歡古典語文和自然，只是在向瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)注冊時才決定主修物理。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，很幸運得到了奧爾森（J.L.Olsen）教授的指導(dǎo)，博士論文題目涉及測量超導(dǎo)體在磁場中長度的變化。而奧爾森以測量楊氏模量的不連續(xù)性著稱。羅雷爾在實驗中要用到非常靈敏的機械傳感器，往往要在夜深人靜的時候工作。四年的研究生生活使羅雷爾得到了很